周廣正 堯舜 于洪巖 呂朝晨 王青 周天寶 李穎蘭天 夏宇 郎陸廣 程立文 董國亮 康聯(lián)鴻 王智勇

1)(北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院,北京 100124)

2)(華芯半導(dǎo)體科技有限公司,泰州 225599)

3)(揚州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,揚州 225002)

1 引 言

垂直腔面發(fā)射激光器(vertical cavity surface emitting laser,VCSEL)具有高調(diào)制速率、低閾值電流、圓形光斑易與光纖耦合、高溫穩(wěn)定、易于集成等優(yōu)勢,廣泛應(yīng)用于短距離數(shù)據(jù)通信和并行高速光纖通信.在中短距離通信中激射波長為850 nm等中短波段激光的氧化限制性VCSEL得到廣泛應(yīng)用.VCSEL集合了眾多優(yōu)點,相應(yīng)的外延質(zhì)量比發(fā)光二極管(light emitting diode,LED)的要求更高,層數(shù)比激光二極管(laser diode,LD)更多(200層以上),使得VCSEL的外延生長和表征比較困難.

VCSEL外延結(jié)構(gòu)主要由上下分布布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector,DBR)、多量子阱(multiquantum well,MQW)有源區(qū)和氧化限制層等組成.DBR的反射率直接影響VCSEL的閾值電流、輸出功率和調(diào)制特性,一般采用傳輸矩陣法分析DBR反射率譜特性[1?4],文獻[1]考慮到材料折射率隨波長變化及不同吸收系數(shù)對DBR反射率譜模擬結(jié)果的影響,本文加入材料的消光系數(shù)隨波長條件,模擬了DBR反射率譜;對于上DBR而言,文獻[2]考慮到光源是在量子阱有源區(qū),模擬了從諧振腔入射時DBR的反射率譜特性,而白光反射譜無損檢測是白光光源從外延片表面入射.本文分析了兩種情況下反射率譜的差異,如圖1所示,H為高折射率層,L為低折射率層,R0為從襯底入射時的反射率,R0為從表面入射時的反射率.VCSEL整體結(jié)構(gòu)反射率譜會在高反射帶內(nèi)形成腔模[5],一般認(rèn)為腔模附近需要形成高反射帶,才能使得反射率足夠高,只有腔模波長的光才能激射,達到單縱模高功率輸出條件.文獻[6,7]討論了GaAs cap層厚度對鏡面損耗和光子壽命的影響,考慮到從諧振腔和表面入射時DBR反射率譜特性差異,本文分析了在不同cap層情況下DBR和VCSEL整體結(jié)構(gòu)的白光反射譜特性,為DBR和VCSEL外延片的白光反射譜的表征提供了依據(jù).

圖1 DBR結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.Schematic of DBR.

850nm波長的VCSEL有源區(qū)一般為GaAs/AlGaAs量子阱或InGaAs/AlGaAs量子阱.與GaAs/AlGaAs量子阱相比,InGaAs/AlGaAs應(yīng)變量子阱具有更高的光增益[8].由于VCSEL器件很小,有源區(qū)產(chǎn)生的熱量需經(jīng)過N型DBR和襯底導(dǎo)入熱沉,工作時器件內(nèi)部有源區(qū)溫度要高于環(huán)境溫度,而量子阱增益譜隨溫度變化較大,需要設(shè)計量子阱增益譜峰值波長和VCSEL整體結(jié)構(gòu)法布里-珀羅(Fabry-Perot,F-P)腔模波長,才能使得器件有高輸出功率.采用Crosslight軟件模擬了InGaAs/AlGaAs量子阱增益譜隨溫度變化的特性以及器件內(nèi)部溫度分布情況,設(shè)計了室溫下量子阱增益譜峰值波長為829 nm,F-P腔模為847 nm的VCSEL器件.并采用金屬有機物化學(xué)氣相淀積(metal organic chemical vapor deposition,MOCVD)生長了MQW以及VCSEL整體結(jié)構(gòu).

近些年來,國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對如何提高VCSEL調(diào)制速率及能量效率進行了較深入的研究,Westbergh等[7]采用InGaAs量子阱及多氧化層結(jié)構(gòu),通過淺表面刻蝕降低了上DBR反射率,進而減小光子壽命,通過優(yōu)化光子壽命得到23 GHz調(diào)制帶寬和40 Gbit/s無差錯數(shù)據(jù)傳輸;Kuchta等[9]通過采用帶有2-軸頭前饋均衡器的130 nm雙極互補金屬氧化物半導(dǎo)體(bipolar complementary metal oxide semiconductor,BiCMOS)驅(qū)動集成電路和130 nm BiCMOS接受集成電路,非歸零調(diào)制下無差錯傳輸速率達71 Gbit/s.香農(nóng)定律指出信道的最大傳輸速率除了與信道帶寬成正比,還與信噪比有關(guān).把VCSEL也等效成信道的一部分,通過減小閾值電流、減小寄生效應(yīng)等方法可以增大3 dB帶寬[6],提高信噪比的有效方法是增大器件的輸出功率[10],本文通過反射率譜的精確表征、增益-腔模失配設(shè)計和采用半絕緣襯底等方法,制作出高斜效率、高調(diào)制速率的VCSEL器件.

2 結(jié)構(gòu)與理論分析

2.1 VCSEL結(jié)構(gòu)

850 nm VCSEL結(jié)構(gòu)示意圖見圖2,采用非摻雜襯底是為了減小寄生效應(yīng),提高調(diào)制速率;外延層包括N型GaAs歐姆接觸層,28對Al0.12Ga0.88-As/AlAs加3對Al0.12Ga0.88As/Al0.9Ga0.1As材料的N型DBR,摻雜濃度2×1018cm?3,5周期InGa-As/AlGaAs材料的有源區(qū)量子阱,兩個Al0.6-Ga0.4As限制層,厚度30 nm的Al0.98Ga0.02As氧化層,22對Al0.12Ga0.88As/Al0.9Ga0.1As材料的P型DBR,摻雜濃度3×1018cm?3,為了減小異質(zhì)結(jié)勢壘對串聯(lián)電阻的影響,DBR中材料界面處采用組分漸變形式生長,最后生長了P型GaAs歐姆接觸層,摻雜濃度1×1020cm?3;后續(xù)芯片工藝形成的兩個臺面,氧化孔徑和金屬電極等.

圖2 850 nm VCSEL結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2.Schematic of 850 nm VCSEL.

2.2 DBR反射率譜模擬與分析

由于諧振腔腔長較短,諧振腔上下采用DBR結(jié)構(gòu)提高反射率,減小腔鏡損耗,進而達到激射條件.通過傳輸矩陣的方法來研究VCSEL的光學(xué)特性[10],如圖3所示,公式為

其中,

式中分別為入射面電場傳播正向分量和反向分量;為出射面電場傳播正向分量和反向分量;Ti為距出射面第i層的傳輸矩陣;r為反射系數(shù);t為透射系數(shù);?=2π(ni?jki)di為相位變化及材料吸收,ni和ki分別為第i層材料的折射率和消光系數(shù),di為第i層材料厚度.GaAs材料折射率和消光系數(shù)(載流子濃度p=2.4×1018cm?3)隨波長的變化如圖4所示[11,12].

圖3 傳輸矩陣法表示的級聯(lián)特性Fig.3.Cascaded scattering junctions characterized by transmission matrices.

圖4 GaAs材料折射率和消光系數(shù)隨波長的變化Fig.4.Refractive index and extinction coefficient of GaAs varying with wavelength.

上DBR一般包含高摻雜(p+)GaAs cap層[6],形成相位補償層,用于調(diào)節(jié)光子壽命,同時高摻雜可以減小歐姆接觸.本文分析了三種不同cap層的DBR和VCSEL:1)DBR和VCSEL無cap層,分別記作DBR1和VCSEL1;2)cap包含光學(xué)厚度為1/4λ的GaAs外延層,分別記作DBR2和VCSEL2;3)cap層包含光學(xué)厚度為1/4λ的GaAs外延層和厚度為120 nm的SiO2層,分別記作DBR3和和VCSEL3.SiO2是芯片工藝完成后利用等離子體增強化學(xué)氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)方法進行沉積,起到保護作用.圖5(a)為三種cap層DBR從表面入射時的反射率譜,可以明顯看出高反射帶處的不同,DBR1高反射帶平整,DBR2中間有凹陷,DBR3高反射帶左側(cè)低右側(cè)高;圖5(b)為入射波長為850 nm時DBR的駐波場分布,為了便于對比,出射端場強按比例設(shè)成相同值,可以看出為了得到相同的輸出端光強,需要的入射端光強有所不同,其中DBR1入射端的強度最大,DBR3次之,DBR2最小,與圖5(a)中850 nm處的反射率相對應(yīng).圖6為三種cap層DBR從諧振腔入射時的反射率譜,高反射帶都比較平整,只是反射率有1%—2%的差異,850 nm處的反射率依次為99.7%,97.8%和98.7%.

圖5 (a)DBR從表面入射的反射率譜;(b)入射波長850 nm時DBR的駐波場分布Fig.5.(a)Reflectance spectrum of DBR as seen from the surface;(b)standing wave pattern in DBR with the incident wavelength of 850 nm.

圖6 DBR從諧振腔入射的反射率譜Fig.6.Reflectance spectrum of DBR as seen from the cavity.

圖7為三種cap層VCSEL從表面入射時的反射率譜,不考慮腔模時的形狀與DBR從表面入射時類似,腔模凹陷深度VCSEL1最淺,VCSEL3次之,VCSEL2最深.由圖5和圖6可知,對于不同cap層結(jié)構(gòu)的DBR和VCSEL,從表面入射的反射率相差較大,而從諧振腔入射的反射率相差只有1%—2%.DBR和VCSEL用白光反射譜表征時需要根據(jù)反射率譜形狀和外延結(jié)構(gòu),結(jié)合模擬結(jié)果推測從諧振腔入射時的反射率.反之,也可以通過反射率譜形狀和模擬結(jié)果推測實際外延結(jié)構(gòu),用來評估實際結(jié)構(gòu)與設(shè)計結(jié)構(gòu)的偏差.

圖7 VCSEL從表面入射的反射率譜Fig.7.Reflectance spectrum of VCSEL as seen from the surface.

2.3 量子阱增益模擬與波長設(shè)計

對于F-P激光器激射波長需要滿足光柱波條件,其他波長的光不能形成光駐波而不能激射,VCSEL激射波長與腔模相對應(yīng).由于VCSEL面積小,散熱性能較差,有源區(qū)溫度較高,量子阱增益譜峰值波長與腔模波長隨溫度升高紅移速率不一致[13?18],需要設(shè)計量子阱光致發(fā)光(PL)峰值波長與F-P腔模波長之間的差值,使得VCSEL能有較高的功率輸出.利用Pics3D軟件模擬了注入載流子濃度為5×1018cm?3時增益譜隨溫度的變化,如圖8所示,300 K條件下峰值增益達到5000 cm?1,增益譜峰值波長隨溫度的變化率為0.3 nm/K,而F-P腔模波長隨溫度的變化率僅為0.06 nm/K[14].利用Pics3D軟件模擬了6 mA電流條件下環(huán)境溫度為300 K時VCSEL的溫度特性,如圖9所示,量子阱有源區(qū)溫度達360—370 K,由于氧化孔徑邊界處電流較集中,所以溫度最高;經(jīng)計算室溫下量子阱增益譜峰值波長應(yīng)該設(shè)計在829—832 nm左右,腔模波長設(shè)計在845—847 nm.

圖8 增益譜隨溫度變化特性Fig.8.Gain spectrum varying with temperature.

圖9 VCSEL內(nèi)部溫度分布模擬結(jié)果Fig.9.Simulation result of temperature distribution in VCSEL.

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 VCSEL的外延生長與表征

實驗采用Veeco公司的K475i型MOCVD設(shè)備進行外延生長,生長溫度為650—700?C,III族源為三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMAl)和三甲基銦(TMIn),V族源為砷烷(AsH3),n型摻雜源為乙硅烷(Si2H6),p型摻雜源為四溴化碳(CBr4).采用偏?110?2?的GaAs(100)半絕緣型襯底,參考圖2外延生長了VCSEL;并且單獨生長了DBR和量子阱結(jié)構(gòu)來確認(rèn)DBR白光反射譜和量子阱PL譜.

利用MOCVD外延生長了cap光學(xué)厚度為1/4λ的DBR得到DBR2,在此基礎(chǔ)上沉積120 nm SiO2得到DBR3,測完白光反射譜之后刻蝕掉SiO2和GaAs cap層得到DBR1,利用Nanometrics RPMblue測得三種結(jié)構(gòu)DBR白光反射譜如圖10所示,測得的白光反射譜是強度值,圖中是歸一化結(jié)果.比較圖5(a)和圖10,三種結(jié)構(gòu)反射率譜形狀的模擬結(jié)果與測試結(jié)果基本一致,驗證了模擬的正確性.從諧振腔入射的反射率譜需要根據(jù)白光反射譜和外延結(jié)構(gòu),結(jié)合模擬結(jié)果推測得到.采用RPMblue光致熒光光譜儀對量子阱進行測試,光源為532 nm激光器,室溫下測得量子阱PL光譜.通過優(yōu)化量子阱生長溫度和通入的V族元素與III族元素摩爾量之比(V/III),得到光譜強度和半寬分別隨生長溫度和V/III的關(guān)系,如圖11(a)所示,綜合比較生長溫度為660?C,V/III為40時光譜的峰值強度較強且半寬最小.圖11(b)為優(yōu)化生長條件后的量子阱PL光譜,峰值波長為827.5 nm,外延片波長標(biāo)準(zhǔn)差小于1 nm,與設(shè)計值基本一致;半高全寬為26.4 nm,長波長處弱峰波長約870 nm,與GaAs襯底禁帶寬度相對應(yīng).VCSEL白光反射譜如圖12所示,可以看出模擬結(jié)果與實驗結(jié)果一致性較好,同時也說明實際外延結(jié)構(gòu)與設(shè)計的結(jié)構(gòu)基本一致,F-P腔模波長847.7 nm,外延片波長標(biāo)準(zhǔn)差小于2.5 nm,與設(shè)計值基本一致.由圖10和圖12可以看出RPMblue測試存在一定的噪聲,若F-P腔模較淺,可能會被噪聲覆蓋,通過在VCSEL上加入1/4λ的GaAs cap層,使得腔模加深,從而很容易判斷腔模位置,避免了測試噪聲的影響.

圖10 不同結(jié)構(gòu)DBR白光反射譜測試結(jié)果Fig.10. White light source optical reflection spectrums of DBRs with different structures.

圖11 (a)優(yōu)化量子阱生長條件實驗數(shù)據(jù);(b)優(yōu)化生長條件后量子阱PL光譜Fig.11.(a)The experimental data of optimizing the growth conditions of MQW;(b)photoluminescence spectrum of MQW after optimizing the growth conditions.

圖12 VCSEL白光反射譜Fig.12.White light source optical spectrum of VCSEL.

3.2 VCSEL器件的制備與測試

VCSEL外延生長完成之后,對外延片進行光刻、刻蝕、濕法氧化、金屬濺射等,制備了氧化孔徑為7.5μm的氧化限制性VCSEL器件.測試了外延片的白光反射譜及器件的直流特性、光譜特性和眼圖.氧化層起到了電流限制和光場限制的作用,圖13(a)為紅外光源電荷耦合器(CCD)下氧化孔徑圖像,孔徑呈圓形,直徑7.5μm,圖13(b)為氧化后VCSEL截面的掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy,SEM)圖像,較淺的為Al0.90Ga0.10As氧化,較深的為Al0.98Ga0.02As氧化.

圖13 (a)紅外光源CCD下氧化孔徑;(b)VCSEL截面的SEM圖像Fig.13.(a)Oxidation aperture with the infrared light source CCD;(b)SEM images of VCSEL cross section.

器件完成之后沉積了一層120 nm SiO2保護層,VCSEL單管的光功率-電流-電壓(light powercurrent-voltage,LIV)曲線如圖14所示,閾值電流為0.8 mA,當(dāng)電流為13.5 mA時最大輸出功率超過9 mW,6 mA時輸出功率達5 mW,與文獻[7]相比提高約25%,斜效率為0.96 W/A.室溫6 mA條件下的光譜如圖15所示,呈現(xiàn)出VCSEL多橫模特性[6,7],中心波長λc=852.3 nm,比設(shè)計值偏長,可能是外延片波長不均勻性導(dǎo)致,均方根(RMS)譜寬?λRMS=0.6 nm,滿足高速數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)[19].

圖14 VCSEL的LIV曲線Fig.14.LIV curve of VCSEL.

圖15 6.0 mA測試條件下的光譜圖Fig.15.Optical spectrum biased at 6.0 mA.

香農(nóng)定理描述了有限帶寬、有隨機噪聲信道的最大傳輸速率與信道帶寬、信噪比之間的關(guān)系:

Rmax為信道的最大傳輸速率,與調(diào)制方式無關(guān);B為信道帶寬;SNR為信噪比.為了便于理論計算,一般用相對強度噪聲(relative intensity noise,RIN)來表示輸出功率的波動[10],相對噪聲譜密度峰值的表達式如下:

其中?f為測量儀器的濾波器帶寬,(?ν)ST為肖洛-湯斯線寬,γ為阻尼因子;(?ν)ST∝1/P0,γ∝P0,所以峰值正比于,通過提高輸出功率P0,可以有效減小RIN,提高SNR,從而提高VCSEL調(diào)制速率.二進制啟閉鍵控(onof fkeying,OOK)調(diào)制速率為25 Gbit/s的眼圖如圖16(a)所示,10%—90%下降時間為38.66 ps,上升時間為41.54 ps,SNR為5.6,均方根抖動為1.57 ps,圖16(b)給出了25 GBaud/s 4級脈沖幅度調(diào)制(4-level-pulse amplitude modulation,PAM-4)下的眼圖,調(diào)制速率達50 Gbit/s,眼圖較清晰,表明了VCSEL的高速調(diào)制性能[20?25].

圖16 (a)25 Gbit/s OOK調(diào)制下的光眼眼圖;(b)50 Gbit/s PAM-4調(diào)制下的光眼眼圖(16.67 ps/div)Fig.16.Optical eye diagram of(a)25 Gbit/s OOK signal and(b)50 Gbit/s PAM-4 signal(16.67 ps/div).

4 結(jié) 論

對比DBR從諧振腔入射和從表面入射時反射率譜的差異,可以看出cap層的變化對從表面入射時的反射率譜形狀影響較大,把從表面入射測得的反射率結(jié)合外延結(jié)構(gòu),推算出從諧振腔入射時的反射率,為DBR和VCSEL白光反射譜表征提供依據(jù).通過模擬量子阱增益譜隨溫度變化及6 mA電流條件下器件內(nèi)部的溫度特性,設(shè)計了室溫下量子阱增益譜峰值波長為829 nm,VCSEL整體結(jié)構(gòu)F-P腔模為846 nm的VCSEL,采用MOCVD分別生長了量子阱和VCSEL整體結(jié)構(gòu),室溫下測得量子阱光致發(fā)光峰值波長為827.5 nm,VCSEL白光反射譜F-P腔模波長847.7 nm,與理論設(shè)計結(jié)果基本一致.芯片工藝制備了氧化孔徑為7.5μm的VCSEL器件,6 mA,2.5 V偏置條件下輸出功率達5 mW,斜效率為0.96 W/A,PAM-4調(diào)制下傳輸速率達50 Gbit/s.從減小寄生效應(yīng)提高帶寬的角度,采用多氧化層和低介電常數(shù)的苯并環(huán)丁烯作為填充物質(zhì)等方法,預(yù)計調(diào)制速率可以進一步提高.

感謝上海交通大學(xué)區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室張文甲老師等提供眼圖測試數(shù)據(jù).

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