高功率垂直腔面發(fā)射激光器陣列熱特性*

閆觀鑫 郝永芹 張秋波

(長春理工大學(xué),高功率半導(dǎo)體激光國家重點實驗室,長春 130022)

為了改善垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)陣列的熱特性,提高器件的可靠性,本文基于有限元模型,研究了不同單元間距、排布方式對陣列器件的熱串?dāng)_現(xiàn)象、熱擴(kuò)散性能的影響.在理論分析的基礎(chǔ)上,制備了幾種不同排布方式的VCSEL 陣列器件,并對其進(jìn)行測試分析.結(jié)果顯示,相較于正方形排布方式,新型排布方式器件具有更高的輸出功率,同時閾值電流也有所降低.其中五邊形排布方式的器件表現(xiàn)出最佳的性能,其輸出功率高達(dá)150 mW,比正方形排布方式提高了約73%.這表明通過調(diào)整陣列單元的間距、排列方式,可以使各單元間的熱串?dāng)_現(xiàn)象得到有效改善,降低器件的熱效應(yīng),進(jìn)而降低器件溫度,提高輸出特性.

1 引言

垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)因具有低閾值電流、高光束質(zhì)量、高調(diào)制速率、穩(wěn)定的單縱模工作、易于制作密集二維陣列等顯著優(yōu)勢,在激光泵浦、光存儲、三維傳感、光探測和激光雷達(dá)(LIDAR)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[1-4].然而,VCSEL在工作時會產(chǎn)生大量的熱,使得整個器件溫度升高,影響激光器的性能[5,6],例如閾值電流升高、波長紅移、輸出光功率下降以及轉(zhuǎn)換效率降低等.在陣列器件中,由于襯底的熱導(dǎo)系數(shù)和氧化孔徑較小,導(dǎo)致器件整體串聯(lián)電阻較大,熱效應(yīng)嚴(yán)重[7].除此之外,相鄰單元之間存在熱串?dāng)_現(xiàn)象,嚴(yán)重影響了VCSEL 的性能.因此,研究VCSEL 的熱問題具有重要的意義.

許多研究人員對此進(jìn)行了大量的研究.對于單元VCSEL 器件,已經(jīng)研究了焦耳熱、熱擴(kuò)散和傳導(dǎo)、非均勻?qū)嵯禂?shù)和輻射特性的綜合熱電模型[8-10].對于VCSEL 陣列器件,Desgreys等[11]建立了光-電熱耦合模型,分析了相鄰陣列單元之間的熱耦合效應(yīng)對器件熱特性的影響.Moench等[12]模擬了VCSEL 陣列中的熱流,提出了一種細(xì)長的矩形VCSEL 陣列來實現(xiàn)更高功率,同時分析了氧化限制孔徑、注入電流密度和襯底厚度對器件熱性能的影響[13].另外,優(yōu)化臺面排布也被證明是一種有效改善熱效應(yīng)[14,15]的方法.本文通過優(yōu)化VCSEL陣列單元間距和排布方式來調(diào)控臺面之間熱流密度的相互作用,從而調(diào)控溫度分布,進(jìn)而改善陣列器件的性能.

2 理論仿真

VCSEL 內(nèi)部產(chǎn)生的熱主要來自兩部分,一是來自有源區(qū)中非輻射復(fù)合釋放的熱量以及光子被吸收時產(chǎn)生的熱量,二是來自有源區(qū)兩側(cè)的分布式布拉格反射鏡 (DBR),特別是P-DBR 產(chǎn)生的焦耳熱.在陣列器件中,電流向橫向分流會導(dǎo)致橫向擴(kuò)展效應(yīng)[16,17],擴(kuò)展效應(yīng)會造成陣列單元間電流的疊加,從而使陣列器件的熱效應(yīng)更加劇烈,使陣列器件的輸出性能大大降低.另外,單元間距過小導(dǎo)致的熱耦合問題在單元器件排布過于密集的情況下十分嚴(yán)重.因此,我們利用ANSYS 對VCSEL 陣列的熱特性進(jìn)行模擬,分析不同單元間距及不同排布方式下的溫度分布情況.由于VCSEL 陣列的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,我們對 VCSEL 的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?主要包括銅熱沉、焊料、歐姆接觸層以及襯底層、N-DBR 層、有源層、P-DBR 層等,其中較薄的氧化層對熱分析影響不大,可忽略不計.且模擬時,假定每層材料的熱導(dǎo)率、熱量傳遞都均勻.簡化后VCSEL 結(jié)構(gòu)如圖1 所示,模擬中采用的外延片結(jié)構(gòu)參數(shù)和熱參數(shù)如表1 所示.

表1 模擬中采用的外延片結(jié)構(gòu)參數(shù)和熱參數(shù)Table 1.Structural and thermal parameters of epitaxial wafers used in simulation.

圖1 簡化后的VCSEL 結(jié)構(gòu)圖Fig.1.Simplified VCSEL structure.

以正方形排布為例,每個單元的臺面直徑為80 μm,比較了不同單元間距時陣列的熱性能,如圖2 所示.

圖2 不同單元間距的正方形VCSEL 陣列的表面溫度分布 (a) d=80 μm;(b) d=100 μm;(c) d=120 μm;(d) d=140 μmFig.2.Surface temperature distribution of square VCSEL arrays with different mesa spacings:(a) d=80 μm;(b) d=100 μm;(c) d=120 μm;(d) d=140 μm.

根據(jù)Amann 和Hofmann[18]建立的等臺面間距VCSEL 陣列熱模型可以得到等間距VCSEL 陣列的溫度分布:

在該模型中,定義陣列近似為圓形,半徑為R,陣列的間距為d,r為單元中心到陣列中心的距離,g為幾何因子,λ 為均勻襯底的熱導(dǎo)率,P為單元直徑范圍內(nèi)熱損耗功率.由(1)式可知增大臺面間距時,單元之間的相互作用減弱,熱串?dāng)_有所改善.從圖2 可以看出,當(dāng)間距較小時,各單元之間的熱串?dāng)_現(xiàn)象明顯.隨著間距逐漸增大,熱串?dāng)_有所改善,器件的熱擴(kuò)散性能有所增強(qiáng),器件溫度下降.圖3 給出了VCSEL 陣列的最高溫度與單元間距的關(guān)系曲線,可以看出器件的最高溫度隨著單元間距的增大呈指數(shù)衰減,這與Jin等[19]提出的2D VCSEL 陣列的緊湊電光熱模型的結(jié)果一致.當(dāng)間距大于120 μm 時,器件溫度降低緩慢,繼續(xù)增大單元間距對溫度的改善效果越來越小,且過大的間距不利于獲得小型高功率陣列.

圖3 不同單元間距下VCSEL 陣列的最高溫度Fig.3.Maximum temperature of VCSEL arrays under different mesa spacings.

此外,單元器件周圍的單元數(shù)量也會影響熱串?dāng)_,尤其是靠近中心的單元器件與周圍單元相互作用更強(qiáng),從而導(dǎo)致更強(qiáng)的熱串?dāng)_.因此,除了調(diào)整單元間距還可以通過優(yōu)化陣列排布在一定程度上改善熱串?dāng)_,降低器件溫度,提高器件性能.

考慮到優(yōu)化VCSEL 單元在陣列中的排布,將任意兩個單元間隔設(shè)置為離散,對(1)式進(jìn)行離散化處理,得到優(yōu)化后的陣列溫度分布[20]:

其中 ΔTi(s) 與單元間距的倒數(shù)成正比.并引入熱耦合因子Hc:

其中S是包括陣列中所有單元的區(qū)域面積,di是單元中心的間距.由(4)式可知通過調(diào)整單元排布,可以在平衡單元間距和單元總面積的同時,獲得較小的熱耦合因子,從而減小熱串?dāng)_.以16 個單元為例,對不同排布方式進(jìn)行模擬仿真,如圖4 所示.

圖4 不同排布方式VCSEL 陣列溫度分布圖 (a) 正方形;(b) 等邊三角形;(c) 等腰三角形;(d) 五邊形;(e) 環(huán)形Fig.4.Temperature distribution of VCSEL arrays with different arrangements:(a) Square;(b) equilateral triangle;(c) isosceles triangle;(d) pentagon;(e) circular.

目前對于VCSEL 陣列排布方式的研究多集中于等邊三角形及環(huán)形排布方式[21,22],且相較于等邊三角形,環(huán)形排布方式對于熱性能的改善較為明顯.從圖4 可以看出,與正方形型排布方式相比,等邊三角形排布熱特性改善效果不顯著,此時正方形排布的熱耦合因子約為83232,等邊三角形約為81636.而等腰三角形、五邊形、環(huán)形這3 種排布方式熱特性明顯改善,熱耦合因子Hc分別約為79560,75413,77220.尤其是五邊形排布方式.每個單元器件的熱串?dāng)_現(xiàn)象得到明顯改善,使得中心區(qū)域與邊緣區(qū)域溫差較小,整個器件熱耦合效應(yīng)較均勻,器件溫度較低,效果最佳.

3 器件制作

本文采用在同一芯片上、相同工藝條件下,制備了4 種不同排布方式的VCSEL 陣列器件.外延結(jié)構(gòu)采用MOCVD 技術(shù)生長完成,其中量子阱由3 個Al0.3GaAs/Al0.6GaAs 構(gòu)成,阱厚5 nm,壘厚8 nm.n 型DBR 由41 對摻雜了硅的Al0.9Ga0.1As/Al0.22Ga0.78As 交替生長而成.而p 型DBR 則由24對摻雜了鈹?shù)腁l0.9Ga0.1As/Al0.22Ga0.78As 組成.高鋁(Al0.98Ga0.02As)層,作為氧化限制層,位于p 型DBR 與有源區(qū)之間,并與有源區(qū)之間通過Al0.9Ga0.1As 過渡層相連,整個外延片PL 譜的峰值波長為785 nm.

器件的制備過程如下:首先以SiO2為掩膜,采用感應(yīng)耦合等離子體(ICP)刻蝕進(jìn)行臺面刻蝕以暴露富Al 層.然后,將外延片放置在氧化爐中通N2/H2O 進(jìn)行氧化,以達(dá)到光電限制的目的,其中氧化溫度為420 ℃,水汽溫度為85 ℃.然后利用PECVD 在外延片上鍍200 nm 的SiO2鈍化層,經(jīng)過多次套刻形成出光孔和電極窗口.在外延片上濺射Ti-Pt-Au 制作p 型電極,再次在外延片n 面進(jìn)行減薄拋光,使外延片厚度降至150 μm 左右,以降低熱效應(yīng),接著濺射Au-Ge-Ni 制作n 面電極.最后在420 ℃下快速熱退火60 s 以降低接觸電阻.

4 結(jié)果與分析

圖5 展示了4 種不同排列方式的VCSEL 陣列的近場圖.可觀察到,這4 種排布方式的陣列器件均表現(xiàn)出良好的光輸出效果,并且每個單元器件都能夠成功激射.

圖5 不同排布方式VCSEL 陣列器件的近場效果圖 (a)正方形;(b) 等腰三角形;(c) 五邊形;(d) 環(huán)形Fig.5.Near fields of VCSEL arrays with different arrangements:(a) Square;(b) isosceles triangle;(c) pentagon;(d) circular.

圖6 為不同排布方式VCSEL 陣列的P-I-V特性曲線.可以看出,正方形陣列器件在工作電流0.8 A 時,器件的最大輸出功率為87 mW;相較于正方形排布方式,新型排布方式的閾值電流均有所降低,最大輸出功率均有所提高,分別為95,150,136 mW,其中五邊形排布方式的輸出功率最大,閾值電流最低,分別為150 mW 和60 mA.這是因為優(yōu)化排布方式在一定程度上降低了器件的熱串?dāng)_,提高了器件的熱擴(kuò)散性能,從而降低了器件的溫度.從而減小了有源區(qū)域非輻射復(fù)合的發(fā)生概率,同時也提高了內(nèi)部和外部的量子效率.進(jìn)而降低了器件的閾值電流,增大了器件的輸出功率.因此,VCSEL 陣列器件在光電特性和熱特性方面都表現(xiàn)出良好的性能.實驗結(jié)果表明優(yōu)化的排布方式可以也使各單元間的熱串?dāng)_現(xiàn)象得到有效改善,從而使器件的電光特性得到改善.

圖6 不同排布方式VCSEL 陣列器件的P-I-V 曲線Fig.6.P-I-V curve of VCSEL array devices with different arrangements.

5 結(jié)論

在VCSEL 熱特性理論分析的基礎(chǔ)上,采用有限元分析的方法,研究了優(yōu)化單元間距、排布方式對器件熱串?dāng)_、熱擴(kuò)散性能的影響.結(jié)果表明,單元間距對陣列器件的熱耦合有影響,且隨著單元間距的增大,VCSEL 陣列器件熱串?dāng)_現(xiàn)象和熱擴(kuò)散性能得到明顯改善,最終確定合適的單元間距為120 μm;新型排布方式相對于正方形排布方式陣列器件的熱串?dāng)_有明顯改善,尤其是五邊形排布方式,器件整體熱串?dāng)_較小,單元器件受熱較均勻,器件溫度最低,效果最佳.在理論研究的基礎(chǔ)上,利用相同工藝,在同一外延片制備出正方形排布方式和新型排布方式的VCSEL 陣列.測試結(jié)果顯示新型排布方式相較于正方形排布方式器件的輸出功率更高,閾值電流有所降低.其中五邊形排布方式器件輸出功率最高,為150 mW,比正方形排布提升了約73%,輸出性能最好.研究表明,通過調(diào)整單元間距和排布方式,可以有效改善陣列的熱性能,降低閾值,改善輸出特性,從而使得VCSEL 陣列具有良好的光電性能.