梁靜，賈慧民，蘇瑞鞏，唐吉龍，房丹，馮海通，張寶順，魏志鵬

(1.長春理工大學(xué) 理學(xué)院 高功率半導(dǎo)體激光器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130022；2.中國科學(xué)院 蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所，江蘇 蘇州 215123)

0 引言

垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器(VCSEL)以體積小、閾值低、光束質(zhì)量高、可二維列陣集成等優(yōu)勢吸引了眾多研究人員的關(guān)注，其在泵浦、光通信和照明等領(lǐng)域已獲得大規(guī)模應(yīng)用?，F(xiàn)階段，VCSEL已經(jīng)作為三維傳感系統(tǒng)應(yīng)用于手機(jī)上，隨著三維傳感、自動駕駛、虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(VR/AR)等一系列應(yīng)用從概念到市場化的普及，VCSEL的市場需求將會進(jìn)一步爆發(fā)[1-2]。VCSEL在芯片原子鐘的應(yīng)用研究中也發(fā)揮著關(guān)鍵的作用[3-7]，芯片原子鐘要求其光源器件VCSEL在高溫工作環(huán)境下實(shí)現(xiàn)單模且波長穩(wěn)定的激光輸出。VCSEL的腔模位置對其輸出波長具有重要影響，腔模對應(yīng)的光學(xué)增益由有源區(qū)提供[8-9]，并且腔模的溫漂速率小于量子阱增益峰值波長的溫漂速率，因此外延材料需要進(jìn)行腔模與增益失諧的合理設(shè)計(jì)，使VCSEL的腔模增益在70 ℃～90 ℃溫度區(qū)間內(nèi)保持較高水平，以確保器件穩(wěn)定的激射性能。

對VCSEL進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、外延材料分析、工藝制備和封裝測試，并結(jié)合測試結(jié)果對所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及工藝進(jìn)行反饋優(yōu)化，是實(shí)現(xiàn)VCSEL穩(wěn)定波長激光輸出的有效手段。2006年Koyama介紹了VCSEL的優(yōu)勢及其在光信號處理方面的發(fā)展?jié)摿10]。1993年Young等利用腔模增益研究高溫下VCSEL的工作特性，獲得了145 ℃高溫環(huán)境下工作的VCSEL芯片[11]。1994年Lu等通過研究腔模增益，實(shí)現(xiàn)了VCSEL大溫度范圍內(nèi)工作的卓越特性[12]。2013年Zhang等采用基于準(zhǔn)三維有限元分析VCSEL模型研究器件結(jié)構(gòu)的溫度分布和波長輸出，得到了輸出波長為795 nm的VCSEL芯片[13]。2016年Xiang等采用增益腔模失配特性制備出閾值電流為1.94 mA、輸出波長為894.6 nm的VCSEL芯片[14]。高性能可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器已在發(fā)射現(xiàn)場氣體濃度檢測領(lǐng)域提供新的解決思路[15]。近年來，隨著VCSEL在微型電子類產(chǎn)品中所具有的優(yōu)勢，其已成為半導(dǎo)體激光器應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。由于VCSEL的外延材料為多層膜結(jié)構(gòu)，分布式布拉格反射鏡(DBR)及有源區(qū)材料光學(xué)厚度會隨溫度變化引起諧振腔光學(xué)厚度變化，從而使輸出波長發(fā)生變化。因此，對VCSEL腔模位置與輸出波長的影響進(jìn)行研究，制備出穩(wěn)定波長激光輸出的VCSEL芯片，對其在照明、醫(yī)療、軍事等方面的應(yīng)用具有重要意義。

本文針對適用于芯片原子鐘(CSAC)的VCSEL器件，利用腔模與增益匹配的VCSEL外延結(jié)構(gòu)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究了VCSEL腔模位置對輸出波長的影響，設(shè)計(jì)出7組腔模位置不同的VCSEL結(jié)構(gòu)，通過垂直腔面發(fā)射激光器工藝制備VCSEL芯片，采用光譜儀對VCSEL的輸出波長進(jìn)行測試并與所設(shè)計(jì)腔模位置進(jìn)行對比，得到了VCSEL腔模位置與輸出波長的線性對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)出腔模位置在890.5 nm的VCSEL結(jié)構(gòu)，所制備芯片實(shí)現(xiàn)了85 ℃高溫環(huán)境下894.6 nm的穩(wěn)定波長激光輸出。

1 實(shí)驗(yàn)及理論分析

1.1 腔模位置與輸出波長關(guān)系理論分析

VCSEL諧振腔的光學(xué)厚度通常為λ0/2的整數(shù)倍(λ0為所設(shè)計(jì)激光器的輸出波長)，VCSEL的諧振腔腔長極短，具備單縱模特性，將VCSEL結(jié)構(gòu)中的諧振腔等效為一層，稱為鏡腔。光在VCSEL結(jié)構(gòu)中傳輸時通過上下DBR反射后在鏡腔界面的反射相位剛好相差π的奇數(shù)倍，造成光場的相互抵消，使反射率降低，因此在反射譜上所設(shè)計(jì)波長λ0處的反射率最低。

在反射譜中，反射帶寬用微擾法進(jìn)行解析，可表示為

(1)

式中：Δλ為反射帶寬；Δn為折射率差；neff為有效折射率；λ0為所設(shè)計(jì)激光器的輸出波長。通過(1)式可計(jì)算出截止帶(高反射率帶)寬度。VCSEL結(jié)構(gòu)的反射譜可由傳輸矩陣?yán)碚撚?jì)算得出，光通過第k層DBR反射鏡的傳輸矩陣可表達(dá)[16]為

(2)

式中：B、C表示傳輸矩陣元；δj為通過第k層后光場所產(chǎn)生的相位變化；nj為第j層的折射率；i為層數(shù)；nk+1為出射介質(zhì)的折射率。

多層材料的反射率可用傳輸矩陣元表示為

(3)

式中：n0為入射介質(zhì)的折射率；*表示取復(fù)共軛。由(3)式可得出各個波長對應(yīng)的反射率及VCSEL的反射譜，在高反射帶上出現(xiàn)的1個反射率較低的位置即為腔模位置。

VCSEL的諧振腔由兩個DBR夾有厚度為Lc、反射率為ns的隔離膜結(jié)構(gòu)組成。輸出波長為λ0的諧振條件可表示為

(4)

(5)

式中：θ1、θ2分別為兩個反射鏡上反射波的相移；N為駐波波峰波節(jié)，N=1,2,….

設(shè)θ1=θ2=π(nsn2)，當(dāng)N=2時，構(gòu)成隔離層中心為駐波波峰的λ0/2諧振腔。光波在VCSEL結(jié)構(gòu)中循環(huán)反射，并在諧振腔中形成駐波[17]，最后實(shí)現(xiàn)波長λ0輸出。

1.2 VCSEL設(shè)計(jì)及制備

下面根據(jù)VCSEL腔模位置與輸出波長的理論關(guān)系，設(shè)計(jì)多組諧振腔光學(xué)厚度不同，即腔模位置不同的VCSEL結(jié)構(gòu)；采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)方法進(jìn)行VCSEL材料的外延生長，通過工藝制備得到VCSEL芯片，對VCSEL的輸出波長進(jìn)行測試并與所設(shè)計(jì)腔模位置進(jìn)行對比分析，研究VCSEL腔模位置與輸出波長之間的關(guān)系。

本文所設(shè)計(jì)的VCSEL結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，該結(jié)構(gòu)中N型DBR由34對Si摻雜濃度為2×1018cm-3的Al0.9Ga0.1As/Al0.12Ga0.88As緩變層組成，用于提供大于99%的反射率；有源區(qū)由兩對InyGa(1-y)As/AlxGa(1-x)As量子阱組成；厚度為30 nm的Al0.98Ga0.02As作為氧化限制層；P型DBR由22對C摻雜濃度為1.5×1018cm-3的Al0.9Ga0.1As/Al0.12Ga0.88As緩變層構(gòu)成，每對DBR的光學(xué)厚度均為λ0/2.

對VCSEL外延片進(jìn)行工藝制備的具體步驟如下：1)進(jìn)行光刻與刻蝕工藝，采用電感耦合等離子體(ICP 180)在外延片P面刻蝕出圓形臺面結(jié)構(gòu)，刻蝕深度為4.6 μm；2)在400 ℃的管式氧化爐內(nèi)，經(jīng)120 min的水汽氧化形成氧化限制層，氧化孔徑約為4 μm[18]；3)氧化完成后采用等離子體增強(qiáng)PECVD方法進(jìn)行鈍化，并用PI膠填充間隔槽，使其達(dá)到平坦的臺面結(jié)構(gòu)；4)采用磁控濺射工藝制備P面金屬電極，將N面減薄拋光至150 μm，并制備N面金屬電極；5)進(jìn)行退火工藝，使N面電極和P面電極形成良好的歐姆接觸。

完成工藝制備后，對VCSEL芯片進(jìn)行解理封裝，采用Loomis解理設(shè)備進(jìn)行解理，將熱敏電阻、電熱絲、衰減片以及VCSEL芯片等封裝在印刷電路板上，完成封裝工作。選用荷蘭Avaspec公司生產(chǎn)的Avaspec ULS2048L-2-USB2光譜儀(步長為0.25 nm)及測試軟件AvaSoft8進(jìn)行激射光譜測試，測試過程中采用CPT物理測試系統(tǒng)(溫度精確度為0.01 ℃，電流精確度為0.001 mA)控制溫度和電流值，得到穩(wěn)定溫度下VCSEL的輸出波長并與所設(shè)計(jì)的腔模位置進(jìn)行對比分析，研究得出VCSEL腔模位置與輸出波長之間的關(guān)系。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文采用美國NANOMETRICS公司生產(chǎn)的RPM2000 PL-Mapping快速掃描熒光光譜儀在室溫對VCSEL外延片進(jìn)行測試，獲得VCSEL外延片的腔模位置，測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同VCSEL外延結(jié)構(gòu)在25 ℃下的腔模位置圖Fig.2 Positions of cavity modes for different VCSEL structures at 25 ℃

對VCSEL外延片分別開展工藝制備并得到VCSEL芯片。在25 ℃及0.5 mA驅(qū)動電流的工作環(huán)境中對VCSEL芯片的輸出波長進(jìn)行測試，獲得的輸出光譜如圖3所示，芯片1～7的輸出波長分別為887.4 nm，888.2 nm，892.0 nm，897.4 nm，898.6 nm，900.5 nm和901.5 nm.

圖3 不同VCSEL結(jié)構(gòu)在25 ℃的輸出光譜Fig.3 Output spectra of different VCSEL structures at 25 ℃

圖4所示為VCSEL腔模及輸出波長的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由圖4(a)可知，在0.5 mA驅(qū)動電流下芯片1～7的輸出波長與腔模位置呈線性關(guān)系，腔模位置的變化與輸出波長的變化趨勢相同，7個VCSEL芯片的輸出波長均比腔模位置略大。這是因?yàn)閂CSEL在連續(xù)工作時內(nèi)部產(chǎn)生熱量，從而引起諧振腔光學(xué)厚度的變化，AlxGa(1-x)As等材料的禁帶寬度及折射率隨溫度均有變化[19-21]，溫度升高會導(dǎo)致VCSEL增益譜及材料折射率發(fā)生變化，從而使諧振腔及DBR光學(xué)厚度增加，并引起VCSEL腔模位置紅移。結(jié)果表明，本實(shí)驗(yàn)中VCSEL腔模位置的紅移速率為～0.058 nm/℃.對VCSEL進(jìn)行變溫光譜測試，獲得VCSEL輸出波長隨溫度的變化曲線，如圖4(b)所示，芯片6的峰位紅移速率約為0.063 nm/℃，測試結(jié)果表明VCSEL的峰位紅移速率為(0.062±0.002)nm/℃.

圖4 VCSEL腔模及輸出波長Fig.4 Cavity mode and output spectra of VCSEL

根據(jù)理論分析和實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)果，對70 ℃～90 ℃溫度區(qū)間內(nèi)波長為894.6 nm的VCSEL芯片進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)VCSEL結(jié)構(gòu)的腔模位置為890.5 nm.外延生長的890.5 nm VCSEL腔模位置測試結(jié)果如圖5所示。由圖5可見，在890.5 nm處出現(xiàn)了反射率相對較低且半峰寬很小的尖峰，該尖峰所對應(yīng)的位置即為腔模位置，表明外延材料的腔模位置滿足設(shè)計(jì)需要。

圖5 890.5 nm VCSEL的腔模位置Fig.5 Cavity mode for 890.5 nm VCSEL

對外延片開展工藝制備得到VCSEL芯片，并對芯片進(jìn)行封裝及性能測試。激射譜測試結(jié)果如圖6所示，在30 ℃及0.5 mA驅(qū)動電流的工作條件下輸出波長為891.2 nm；85 ℃及0.5 mA驅(qū)動電流的工作條件下輸出波長為894.6 nm.圖6中的插圖為VCSEL的輸出波長隨溫度的線性變化曲線。從圖6可見，輸出波長隨溫度變化的速率為0.062 nm/℃，輸出波長的溫漂速率與腔模位置的溫漂速率接近，符合預(yù)期實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。由圖6中的溫漂測試結(jié)果可知，通過對工作溫度進(jìn)行調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)在70 ℃～90 ℃的高溫工作環(huán)境中，0.5 mA驅(qū)動電流條件下獲得894.6 nm輸出波長的VCSEL芯片。

圖6 VCSEL的溫漂曲線Fig.6 Temperature drift of VCSEL

3 結(jié)論

本文分析了腔模位置對器件輸出波長的影響，設(shè)計(jì)并制備了多組腔模位置不同的VCSEL芯片，對VCSEL的腔模位置與輸出波長進(jìn)行了測試分析。通過實(shí)驗(yàn)研究得出VCSEL的腔模位置與輸出波長呈線性對應(yīng)關(guān)系。設(shè)計(jì)出腔模位置為890.5 nm的VCSEL外延結(jié)構(gòu)，通過器件工藝實(shí)現(xiàn)了在85 ℃高溫環(huán)境條件下894.6 nm穩(wěn)定波長激光輸出的VCSEL芯片。通過合理設(shè)計(jì)VCSEL的腔模位置，實(shí)現(xiàn)了對VCSEL芯片目標(biāo)輸出波長的調(diào)控，該研究為其他波段實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定波長激光輸出的VCSEL奠定了基礎(chǔ)。