长光时空联合长春光机所研制出人眼安全波段VCSEL芯片

  垂直腔面发射激光器(Vertical cavity surface emitting laser, VCSEL)具有低功耗、小体积、圆形对称光斑及高可靠性等优点，目前国内有多家企业在从事850nm/940nm/905nm VCSEL相关产品研发和生产。1550nm激光满足人眼安全要求，在激光雷达、气体探测等领域有广泛应用前景，但是目前国内在1550nm VCSEL商用产品研发方面尚未取得突破。

  近日，长光时空联合长光所王立军院士团队，研制出高性能1550nm VCSEL芯片。技术人员通过采用高增益应变量子阱，在国内首次研发出光功率达到毫瓦量级的单模1550 nm VCSEL。在温控设定在15 ℃时最高激光功率达到2.6 mW, 边模抑制比(SMSR)最高达到35 dB，并具有良好的温度适应性。该项研究以《1550 nm毫瓦级单横模垂直腔面发射半导体激光器》发表于《物理学报》，并被选为“编辑推荐”论文。

  论文链接：https://wulixb.iphy.ac.cn/article/doi/10.7498/aps.71.20212132

  论文全文

  题目 | 1550 nm毫瓦级单横模垂直腔面发射半导体激光器

  1. 引 言

  1550 nm波长的激光具有很广阔的应用前景, 该波长是光纤通信窗口, 在光纤中具有较低的传输色散[1]; 1550 nm波长的激光具有高的人眼安全阈值, 不易产生人眼损伤[2]; 另外, 1550 nm波长附近还是一氧化碳、硫化氢等气体的特征吸收波长区域[3]. 发光波长在1550 nm的垂直腔面发射半导体激光器(vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL)具有低功耗、小体积、表面出光及圆形对称光斑等独特优势, 近年来在低功耗光通信、激光雷达及气体传感等领域的应用研究获得了人们的广泛关注[4,5], 具有广阔的应用前景. 发光波长在1550 nm附近的VCSEL必须采用InP材料体系作为发光层. 采用InP衬底生长的晶格匹配材料具有很低的折射率差值, 因而无法用于制备低吸收损耗、低电阻的分布布拉格反射镜(distributed Bragg reflector, DBR)结构[6]. 因此, 目前1550 nm波段的VCSEL一般采用键合AlGaAs/GaAs材料的高性能DBR实现光场的垂直振荡方向控制, 然而键合界面的晶格缺陷及空洞严重制约着器件的工作性能[7,8]. 近年来, 国外研究机构针对1550 nm波段VCSEL的工作性能提升做了大量研究工作.

  早在2003年, 慕尼黑工业大学的Gerhard等[9]就论证了1550 nm波段以及更长波段VCSEL的材料制备方案及初步实验结果. 2009年, 慕尼黑工业大学Müller等[10]报道了采用双面混合DBR制备1550 nm波段VCSEL的结果, 实现室温输出功率为1 mW. 随后, 瑞士联邦理工学院的Andrei等[11]利用隧道结台阶实现了横向电流限制, 并通过键合AlGaAs/GaAs反射镜, 实现了室温6.5 mW的连续激射功率. 为解决DBR反射镜对1550 nm VCSEL的制约, 2013年, 美国加州大学伯克利分校的Connie研究小组[12]引入悬浮式的高对比度光栅反射镜(high contrast grating, HCG), 实现了15 ℃下单模功率2.4 mW. 随后, 采用各种新型反射镜结构替代传统键合反射镜的技术方案被广泛研究报道[13,14].

  近年来, 随着高速通信、气体传感及激光雷达等技术对1550 nm VCSEL的迫切需求, 国内也正积极开展1550 nm VCSEL的技术攻关, 然而在1550 nm波段VCSEL领域的研究报道近乎空白, 主要是由于在该波段的材料制备质量和键合工艺水平与国外具有较大差距. 2020年, 中国科学院半导体研究所Liu等[15]报道了采用混合镜面反射镜与隧穿结台面结合的1550 nm VCSEL方案, 其阈值电流为20 mA, 激光功率为7 μW, 激射谱半高全宽为3 nm.

  本文报道了1550 nm毫瓦级单横模VCSEL器件的设计和制备. 首先介绍了1550 nm波段VCSEL的关键结构量子阱、隧穿结及其横模特性的设计结果, 其次对VCSEL功率、光谱与单模特性等测试结果进行了描述, 最后总结了1550 nm 垂直腔面发射半导体激光器的工作.

  2. 器件结构

  图1是本文所用的1550 nm VCSEL的结构示意图. 该结构主要由上下DBR、隧穿结注入台面以及量子阱发光区组成. 其中下DBR由30对AlGaInA/AlInAs半导体DBR与CaF2/Si介质膜DBR材料共同组成; 上DBR由45对AlGaInA/AlInAs半导体DBR与介质膜DBR材料组成. 发光区由6组6 nm Al0.06Ga0.22InAs量子阱/8 nm Al0.22Ga0.28InAs势垒层组成. 量子阱发光区与上、下DBR之间有约2 μm厚的N型掺杂InP导电层, 以便于制备内部接触式的正负电极结构. 为实现高的发光区载流子密度, 采用重掺杂的n++/p++隧穿结台面结构实现空穴在台面位置的高效注入与横向载流子限制。

  图 1 1550 nm波段VCSEL结构示意图

  VCSEL的制备工艺流程如下: 采用金属有机化学气相沉积外延设备在InP衬底依次生长上半导体DBR、N型导电层、发光层及隧穿结结构后, 利用干法刻蚀设备刻蚀出隧穿结台面, 然后再次生长导电层及下DBR中的半导体DBR. 之后通过电子束蒸镀设备蒸镀下半导体DBR外部的CaF2/Si介质膜DBR. 制备完成后, 采用电子束蒸金及镀金设备完成金属电极制备, 并采用键合设备将整个结构键合到带有金属化图形的透明金刚石薄片上, 以支撑上DBR制备工艺继续进行. 将InP衬底采用选择性腐蚀工艺去除后, 继续刻蚀出台面结构, 填充BCB材料并利用电子束蒸镀设备形成金属电极. 最后在上DBR上蒸镀介质膜, 完成工艺制备. 为了获取良好的散热效果, VCSEL的底部电极在工艺过程中被加厚至20 μm以上. 激光器台面边缘填充BCB材料的主要目的是实现良好的器件支撑, 确保芯片在操作过程中不易产生破损.

  3. 理论设计

  在半导体材料体系中, GaInAsP与AlGaInAs材料均可以作为1550 nm波段的发光区材料, 然而AlGaInAs具有更高的导带带阶(ΔEc/ΔEg), 因而对于容易泄漏的载流子电子具有更好的限制效果; AlGaInAs只有一种V族元素, 因而更容易控制材料的生长质量, 有利于实现良好的发光区性能; 同时, 由于AlGaInAs量子阱相比InP衬底具有张应变效应, 而张应变可以提供更好的能带分离效果与增益水平, 因而AlGaInAs是1550 nm VCSEL理想的量子阱层材料[16]. 图2是采用的6 nm Al0.06Ga0.22InAs量子阱/8 nm Al0.22Ga0.28InAs势垒层结构发光区量子阱价带的能级分立情况以及增益谱随载流子浓度的变化模拟结果。

图 2 (a) 6 nm Al0.06Ga0.22InAs量子阱的价带子能级分布情况; (b)不同载流子浓度下的增益谱变化情况

  采用Crosslight软件中的量子阱增益仿真模块计算了发光区量子阱价带能级与增益谱, 如图2所示. 图2(a)中能带顺序自上往下依次是第一重空穴带(HH1)、第二重空穴带(HH2)、第一轻空穴带(LH1)与第三重空穴带(HH3). 价带重空穴带在上, 有利于量子阱在低的电流密度实现粒子数反转. 第一重空穴带与第二重空穴带分离良好, 进一步提高了量子阱对注入载流子的限制能力. 由图2(b)中不同载流子浓度下的增益谱可以看出, 随着载流子浓度的增加, 增益谱一直较为平滑, 并没有出现第二子能带光增益. 量子阱增益峰值位置随载流子浓度增加略有蓝移, 这是由于载流子的能带填充效应造成的. 为保证工作时增益峰值波长尽量靠近出光波长, 采用的量子阱增益峰位置设定在1.53 μm附近, 比激光波长略短一些. 这是因为VCSEL工作时, 其内部具有较严重的热效应, 因而工作时由于温度增加带来增益峰的红移, 从而最终实现增益峰跟目标激光波长较好匹配[17].

  1550 nm波段采用的InP材料结构无法像近红外波段的GaAs材料一样通过掺入高Al组分, 实现电流限制层的制备[18], 因而, 目前文献报道多采用隧穿台面结构实现载流子的横向限制. 载流子的隧穿效应是1550 nm VCSEL电流顺利注入的关键. 图3是采用Crosslight软件设计的重掺杂隧穿结构的电流-电压曲线, 隧穿结台面直径为5 μm. 由于隧穿结外加反向偏压, 因而在电压小于1.5 V时几乎没有隧穿电流存在; 而当开启电压超出1.5 V, 隧穿电流随着电压增加迅速增长, 电压增长约0.5 V就可以实现10 mA的电流注入, 具有很好的隧穿效果。

图 3 隧穿结结构的电流-电压特性模拟结果, 插图为各隧穿层在1 V偏压下的能带结构计算结果及载流子传输过程示意图

  图3插图为模拟的隧穿结材料层在外加偏压超过开启电压后的能带结构图. 隧穿结采用n型及p型重掺杂材料, 界面处重掺杂n型层的导带与p型层的价带位于同一水平, 因而当电压继续增加, n型层的载流子电子直接隧穿至p型层, 实现电流注入, 而不存在额外的势垒. 这也是隧穿结结构的基本工作原理.

  相比近红外波段常采用的氧化限制结构, 隧穿结结构具有很好的单模工作特性. VCSEL的波导结构属于典型的光纤柱状波导, 其芯层与包层的折射率差值决定了基模与高阶模的分布形式[19]. 对于隧穿结结构来说, 其芯层与包层的折射率差Δneff = neff-core – neff-cladding较小, 更有利于高阶模式的耗散与基模的增强. VCSEL的Δneff与台面刻蚀深度密切相关. 对于隧穿结台面, 采用MATLAB自建的光纤模式模型分析了不同刻蚀深度时Δneff以及其对应的单模区直径变化情况, 如图4所示. 可以看出, 随着刻蚀深度增加, Δneff变大, 说明刻蚀深度的增加对波导效应有增强效果, 对应的单模工作区直径不断降低. 因而, 刻蚀深度较大时, 对于实现大口径的单模输出是不利的. 为实现5 μm以上的单模工作区直径, 选择刻蚀深度不超过100 nm。

图 4 隧穿结台面刻蚀深度对芯层与包层的折射率差值Δneff = neff-core-neff-cladding以及单模工作区直径的影响

  4. 实验结果

  制备的1550 nm VCSEL芯片被封装在TO管壳中, 其底部装有TEC控温及NTC测温元件. 通过改变控温系统温度, 测量VCSEL在不同工作温度下的功率-电流曲线, 测试结果如图5所示. VCSEL在15 ℃下的热饱和功率达到2.6 mW. 随着工作温度的增加, 最大热饱和功率快速降低, 在35 ℃下的热饱和功率仍然可以达到1.3 mW. VCSEL的阈值电流随温度的变化趋势呈现出典型的增益—腔模失配型VCSEL阈值电流特性[20]. 当工作温度由15 ℃增加到35 ℃后, 热饱和功率有所降低, 阈值电流也随之减小, 由15 ℃时的7.4 mA降低到35 ℃时的5.4 mA. 阈值电流随工作温度增加而减小, 是因为设计的增益峰值波长与激光器出光波长相对蓝移, 随着工作温度的增加, 由于增益峰值波长漂移速率比激光器出光波长漂移速率快近一个数量级, 因而在较高温度下实现了增益与激光器工作波长的较好匹配. 当工作温度继续增加至55 ℃时, 激光器的增益与工作波长匹配度仍然较好, 因而VCSEL阈值电流与35 ℃相比并无明显变化. 随着工作温度继续增加至75 ℃, 增益与工作波长出现失配, 阈值电流继续增加. 虽然当工作温度在75 ℃时VCSEL功率急剧下降, 然而其热饱和出光功率仍然可以达到0.35 mW.

图 5 不同工作温度下VCSEL的功率-电流曲线测试结果

  图6(a)给出了工作温度为15℃时, 采用横河6370D高精度光谱仪测得的VCSEL在5.5, 10和15 mA工作电流下的激光光谱. 可以看出, VCSEL在这3个工作电流下的激光光谱主峰模式(基模)与次级峰模式(高阶模)的强度差呈现非常良好的单模输出特性[21,22]. 当工作电流为10 mA时, VCSEL中心波长为1547.58 nm, 边模抑制比(side mode suppression ratio, SMSR)达到了33 dB. 随着工作电流增加, 出光波长出现红移现象, 这是因为VCSEL在工作电流增加时内部热效应增强导致的。

图 6 工作温度为15 ℃时, (a) VCSEL在不同电流下的单模激光光谱, 以及(b)出光波长与SMSR随工作电流的变化关系

  VCSEL出光波长与SMSR随工作电流的变化情况如图6(b)所示. 当工作电流增加时, VCSEL的出光波长出现红移. 从图6(b)可以看出, VCSEL的出光波长随工作电流呈近似线性变化, 波长漂移速率为0.13 nm/℃. VCSEL的SMSR参数随工作电流呈现明显波动. 工作电流在阈值电流附近(I = 5.5 mA)时, 由于VCSEL尚未正常激射, 因而其SMSR较低, 仅有13 dB. 随着工作电流增加, SMSR快速增加. 当工作电流为13 mA时, VCSEL的SMSR达到最大值35.2 dB. 随着工作电流超出15 mA, VCSEL的SMSR快速下降. 当工作电流为16 mA时, VCSEL的SMSR降至22.9 dB, 与文献[21]中单模VCSEL的结果对比, 此时的SMSR仍高于20 dB, 可以认为VCSEL的激光光谱仍然保持着较好的单模状态. 根据图5中的功率-电流曲线, 此时对应的VCSEL激光器单模出光功率为0.97 mW. 此后随着工作电流继续增加, SMSR数值降至20 dB以下, 激光器为多模工作. 更高工作电流下VCSEL单模性变差的主要原因是大电流下VCSEL有源区内有更为严重的热积累. 由于VCSEL为类似光纤模式的波导模型, 在大电流下, 中心区域高的工作温度使得VCSEL轴向折射率梯度进一步增加, 由此引起激光器对高阶模式的导引效应增强, 这使得VCSEL的高阶模式在大电流下更容易激射.

  5. 结 论

  本文报道了1550 nm波长的VCSEL研制结果. 采用高增益发光区量子阱与隧穿结台面结构, 实现了2.6 mW的最大出光功率. 与国内其他单位报道相比, 在1550 nm波段VCSEL研究中首次突破毫瓦级的激光功率水平; 对VCSEL的单模性进行了测试, 证实其最大单模出光功率可以达到0.97 mW, 此时工作电流为16 mA. 由于大电流下VCSEL内部热效应严重, 高阶模式波导效应增强, 因而更高工作电流下VCSEL的SMSR数值急剧下降. VCSEL的波长随工作电流有很好的线性变化, 波长随电流漂移速率为0.13 nm/mA, 这在气体传感所需的稳定波长调谐方面将会有很好的应用效果. 本文1550 nm VCSEL单元器件的结果为下一步通过阵列集成获得高功率1550 nm VCSEL奠定了基础. 高功率1550 nm波段VCSEL对于解决现阶段激光雷达的人眼安全问题具有重要意义.

  论文第一作者是长光时空技术总监、长春光机所张建伟教授，通讯作者是长光时空总经理张星，论文作者还包括中国科学院王立军院士和宁永强教授。长光时空团队在王立军院士、宁永强教授的领导下，从2002年至今在高性能VCSEL芯片研发和产业化方面保持了与国外并跑发展。