陳加偉 李豫東 瑪麗婭·黑尼 郭 旗 劉希言

1（中國科學院新疆理化技術研究所特殊環(huán)境功能材料與器件重點實驗室 烏魯木齊 830011）

2（中國科學院大學 北京 100049）

3（天津大學精密儀器與光電子工程學院 天津 300072）

Melngailis首次在1965年提出激光垂直腔面發(fā)射的思想［1］后，1977年誕生了第一只垂直腔面發(fā)射激 光 器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL）［2］。該結構的激光器使得注入電流在有源區(qū)產(chǎn)生的激光經(jīng)過上下分布布拉格（Distributed Bragg Reflection，DBR）反射后可以垂直于正表面射出。此外，VCSEL還兼?zhèn)涞烷撝惦娏?，高速高頻調制，工藝成本低，遠場圖對稱和容易二維集成等優(yōu)點［3-5］。自20世紀90年代中期以來，基于GaAs材料和氧化工藝的快速發(fā)展使得850 nm VCSEL一直是基于光纖的數(shù)據(jù)通信鏈路的標準光源。短程光纖通信傳輸速率快、體積功耗小和抗電磁干擾等優(yōu)勢，使其在航空航天、衛(wèi)星通信和強核輻射環(huán)境領域具有巨大的應用潛力［6-7］。

VCSEL在空間輻射環(huán)境中應用時長期承受各種粒子輻射影響，包括大量電子、質子和重離子。這些高能帶電粒子與VCSEL相互作用產(chǎn)生位移損傷輻射效應，直接影響VCSEL光電參數(shù)，使得光纖通信系統(tǒng)性能下降甚至失效［8］，而地面模擬需要做大量實驗以最大程度評估實際空間輻射環(huán)境下的可靠性［9］。因此，研究不同能量粒子的損傷等效以及了解VCSEL在輻射環(huán)境下的退化機理對于VCSEL在衛(wèi)星中的應用具有非常重要的價值。

人們已經(jīng)對VCSEL在輻射下的參數(shù)退化進行了許多研究。輻射源覆蓋了大多數(shù)粒子，包括γ射線、中子、質子、電子和重離子［10-14］。從最早的實驗規(guī)則定性探索開始，逐步深入研究GaAs/AlGaAs材料降解的物理機制［15］。然而，借助仿真軟件深入分析參數(shù)退化機制鮮有報道。本文對850 nm VCSEL進行了3 MeV和10 MeV質子輻照及仿真研究，使用位移損傷劑量（Displacement Damage Dose，DDD）等效參數(shù)的退化并通過Silvaco仿真獲得了和實驗一致的結果。此外，進一步結合Silvaco仿真軟件對VCSEL的參數(shù)進行提取并對參數(shù)的退化機制進行了理論分析。該實驗及仿真結果對提高地面模擬實驗的效率及進一步深入理解VCSEL的位移損傷效應機理具有重要意義。

1 實驗方法

實驗采用的樣品為850 nm多模VCSEL，根據(jù)實驗樣品的掃描透射電鏡（Scanning Transmission Electron Microscopy，STEM）結果獲得該款器件的結構參數(shù)如下：最底層為n型GaAs襯底，上下DBR對數(shù)分別為20.5和38.5對，有源區(qū)為3個量子阱結構。在此結構上我們使用Silvaco軟件進行建模，其中上下DBR部分分別使用2×1018cm-3的p型和n型摻雜，相鄰DBR高低折射率材料組分及厚度分別為Al0.9Ga0.1As/39 nm、Al0.12Ga0.88As/50 nm，在相鄰折射率材料之間使用20 nm的組分漸變層過渡。有源區(qū)無摻雜，分別使用GaAs/8 nm、Al0.3Ga0.7As/8 nm作為發(fā)光層和包覆層。頂部設置5 nm重摻雜作歐姆接觸。氧化限制層設置了6 μm的氧化孔徑。模型結構如圖1（a）所示，圖1（b）為器件工作時量子阱區(qū)域部分放大圖。

圖1 850 nm VCSEL的Silvaco模型結構圖(a)和VCSEL工作時多量子阱區(qū)域的部分放大圖(b)Fig.1 Silvaco model structure diagram of 850 nm VCSEL(a)and partial enlarged view of the quantum well region when the VCSEL is operating(b)

質子輻照實驗在北京大學重離子物理研究所2×6 MV EN串列靜電加速器上進行，選取質子能量分別為3 MeV和10 MeV。通過MULASSIS工具進行計算DDD并設計實驗方案，如表1所示［16］。設計實驗使得兩種能量的質子在不同注量下具有一致的DDD。VCSEL樣品采用TO-46形式封裝，封裝蓋在輻照前被去除避免對質子的阻擋從而導致注量測量不準確。輻照時VCSEL引腳開路并垂直于質子輻射源。輻照后，使用掃描狹縫光束輪廓儀及4200ASCS半導體參數(shù)分析儀測試VCSEL的光-電流-電壓（L-I-V）曲線。由于VCSEL的光學特性受溫度影響，使用ITC4002QCL驅動器件并嚴格控制測試溫度為30℃。

表1 3 MeV和10 MeV在不同質子注量下對應的DDD Table 1 Corresponding DDD of 3 MeV and 10 MeV at different proton fluences

2 實驗結果與討論

2.1 質子輻照結果與仿真模型

使用MULASSIS工具計算位移損傷劑量公式如下：

式中：LNIE為非電離能量損失（Non-Ionizing Energy Loss），該值與入射粒子能量、種類和靶材料有關；?為質子注量；DDD指單位質量的靶材料在輻照中由于晶格原子位移造成結構損傷所吸收的能量。圖2展示了3 MeV質子輻照后的光輸出功率-電流曲線（L-I），從圖2可見，隨著質子注量的增加，VCSEL的閾值電流逐漸增加；相同注入電流下光輸出功率降低。該結果主要考慮是由于質子輻照引入位移損傷引起的。

圖2 3 MeV質子輻照下VCSEL的L-I特性隨質子注量變化Fig.2 Relationship between L-I characteristics of VCSEL and proton fluence under 3 MeV proton irradiation

當高能粒子與半導體晶格碰撞時，原子可能會從其晶格位置脫離并被推入晶體內的間隙位置，這個被取代的原子以前的晶格位置被稱為空位。被置換的原子稱為間隙原子（不在正常晶格位置的原子），間隙空位對稱為弗倫克爾對。如果高能粒子具有足夠大的能量，這些被置換的原子會產(chǎn)生級聯(lián)碰撞進一步碰撞其他晶格原子，這些級聯(lián)碰撞會導致一個大的無序區(qū)域，稱為缺陷簇［17］。這些缺陷作為非輻射復合中心俘獲載流子，由于相同注入電流下部分載流子補償缺陷，所以導致了閾值電流的增加［18］。同樣，由于缺陷引入的缺陷能級降低了輻射復合速率，降低了少子壽命，從而導致了光輸出功率的降低。使用閾值前后數(shù)據(jù)線性擬合的兩條曲線交點確定閾值電流并作歸一化處理如圖3所示。從圖3中可見，在相同DDD下，即使質子的注量不同，但是閾值電流的損傷在兩種能量下基本一致。結果表明：DDD可以作為評估VCSEL在不同能量質子輻照下位移損傷的有效手段。

圖3 3 MeV和10 MeV輻照后VCSEL歸一化閾值電流與DDD的關系Fig.3 Relationship between normalized threshold current of VCSEL and DDD after 3 MeV and 10 MeV irradiation

Silvaco作為半導體工藝和器件仿真軟件（Technology Computer Aided Design，TCAD），會將仿真模型劃分為區(qū)域網(wǎng)格，使用成熟的理論和模型作為基礎，在格點處求解希望得到的特性，如：電學性質、光學性質等，可以作為工具從理論角度分析實際實驗結果。本文結合STEM建立模型如圖1所示，隨后引入輻射注量模型，該模型可以模擬由于半導體中的高能粒子轟擊引起的缺陷產(chǎn)生率，由具有特定輻照能量和種類的輻射注量引起的總缺陷態(tài)密度（NT）由式（2）給出，通過計算引入缺陷的影響，并反應到器件特性上。

式中：αD為損傷因子；ρ為材料密度；?是總質子注量。調用該模型時使用RADIATION語句定義FLUENCE、ENERGY、粒子種類和NIEL的大小。引入模型后獲得的3 MeV質子輻照仿真結果與實驗測試結果如圖4所示。圖4中器件的L-I曲線在12 mA處由于工作模式的切換導致曲線出現(xiàn)扭結，但是該仿真結果提取的閾值電流和斜率效率使用扭結前數(shù)據(jù)，且結果和測試結果對應得較為理想。從仿真結果與實際實驗結果的L-I曲線提取的閾值電流隨DDD變化如圖5所示。此外，通過仿真可以獲得等多的微觀參數(shù)與質子輻射的關系，為進一步理解輻射損傷機理提供理論支持。

圖4 3 MeV質子輻照后的L-I特性仿真結果與實驗結果對比Fig.4 Comparison between simulation and experimental results of L-I curve after 3 MeV proton irradiation

圖5 仿真與實驗結果提取的歸一化閾值電流對比Fig.5 Comparison of normalized threshold current extracted from simulation and experimental results

2.2 VCSEL退化分析

由于輻射注量模型是計算材料中的陷阱產(chǎn)生率，我們首先使用Silvaco自帶的探測尺工具提取了VCSEL注入電流為23 mA時中間量子阱的陷阱密度以及電離的施主和受主密度，結果如圖6所示。由圖6可見，3 MeV和10 MeV質子在相同DDD下產(chǎn)生的缺陷密度基本一致。此外，只有部分缺陷電離且受主電離密度比施主高，陷阱濃度、施主和受主濃度與DDD呈現(xiàn)線性關系［13］。陷阱中心位于禁帶中，通過電子的發(fā)射和俘獲與導帶和價帶交換電荷。缺陷中心影響半導體中空間電荷的密度和復合統(tǒng)計。從而影響輻射復合模型和光子速率方程，導致VCSEL輸出特性產(chǎn)生退化。

圖6 Silvaco中提取的陷阱密度，施主和受主電離密度隨DDD的變化Fig.6 Variation of trap dose,donor and acceptor ionized density with DDD extracted from Silvaco

在DBR部分，圖7為VCSEL鏡面損失隨質子注量變化圖，而鏡面損失的計算公式如下：

圖7 10 MeV質子輻射后VCSEL鏡面損失與質子注量關系Fig.7 Relationship between VCSEL mirror loss and proton fluence after 10 MeV proton irradiation

式中：αmir為鏡面損失；L為諧振腔腔長；Rf和Rr分別為前后鏡面反射率。作為Rf和Rr的對數(shù)函數(shù)，質子輻射引起鏡面反射率的退化就會導致αmir的顯著增大。而鏡面損失增加會降低光子壽命，因此質子輻射對DBR部分反射率的影響成為降低VCSEL輸出特性的部分原因。

在激光產(chǎn)生的必要條件中，除了DBR外，增益介質（有源區(qū)部分）同樣會影響激光輸出特性。VCSEL中，電子數(shù)反轉后輻射復合產(chǎn)生光子，而輻射復合速率直接影響產(chǎn)生的光子數(shù)，圖8為復合速率和輻射復合速率與DDD的關系。受激光輻射引起的載流子復合建模如下：

式中：Rst為復合速率；Neff為有效折射率；g為增益；Sm為光子數(shù)密度；E為光電場；m指模態(tài)量。從圖8中可見，隨著DDD的增大，復合速率和輻射復合速率均會降低，且輻射復合速率受質子輻射影響更為嚴重。輻射復合速率的降低一方面降低了產(chǎn)生的光子數(shù)，降低光輸出功率，另一方面，輻射復合速率的降低意味著非輻射復合的增加，非輻射復合的能量會以熱能釋放到器件中，表現(xiàn)為器件結溫的增加，而VCSEL作為對溫度比較敏感的器件，過高的結溫同樣會降低光輸出功率。

圖8 量子阱處復合速率和輻射復合速率隨DDD的變化Fig.8 Variation of recombination rate and radiative recombination rate at quantum well with DDD

在有源區(qū)部分，Silvaco求解的光子速率方程如下：

式中：Gm為模增益；1/τphm為光子壽命；αe為任何額外的激光損耗（默認值為0）；Rspm為自發(fā)發(fā)射速率。圖9為兩種能量質子的Sm隨位移損傷劑量變化圖，從圖9中可見，引入質子輻射后，Sm逐漸降低。因此，VCSEL輸出特性的退化是輻射后由于位移損傷導致諧振腔反射率，有源區(qū)輻射復合速率等參數(shù)降低的綜合結果。仿真結果在驗證和分析實驗結果的同時也可以從工藝角度對VCSEL的抗輻射加固提供設計思路。

圖9 光子速率方程中光子數(shù)與DDD的關系Fig.9 Relationship between photon number in photon rate equation and DDD

3 結語

本文研究了相同DDD下3 MeV和10 MeV質子輻照引起VCSEL的性能退化。結果表明：在相同DDD下，兩種能量質子輻射產(chǎn)生的退化基本一致。此外，還根據(jù)STEM結果在Silvaco中建立了對應的模型，在引入輻射注量模型后，從仿真中發(fā)現(xiàn)了輻射后陷阱濃度增加、DBR反射率下降、有源區(qū)輻射復合速率降低和光子數(shù)降低等結果。因此，質子輻射引入的位移損傷對DBR和有源區(qū)均有影響，反射率和光子數(shù)的降低最終導致了器件L-I特性的退化。該仿真與實驗結果一致，模型具有較高的可信度。此外，通過仿真還深入分析了VCSEL質子輻射后退化的微觀機理。以上實驗及仿真結果對VCSEL的輻射效應評估實驗和空間輻射環(huán)境下的實際應用具有重要意義。

作者貢獻聲明陳加偉：論文初稿的寫作與稿件的修改；李豫東：參與實驗設計和試驗結果分析；瑪麗婭·黑尼：實驗設計者和實驗研究的執(zhí)行人；郭旗：指導實驗設計、數(shù)據(jù)分析、論文寫作與修改；劉希言：提供理論支持和實驗結果分析。