垂直腔面发射半导体激光器腔模位置对器件输出波长的影响研究

0 引言

垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)以体积小、阈值低、光束质量高、可二维列阵集成等优势吸引了众多研究人员的关注，其在泵浦、光通信和照明等领域已获得大规模应用。现阶段，VCSEL已经作为三维传感系统应用于手机上，随着三维传感、自动驾驶、虚拟现实/增强现实(VR/AR)等一系列应用从概念到市场化的普及，VCSEL的市场需求将会进一步爆发[1-2]。VCSEL在芯片原子钟的应用研究中也发挥着关键的作用[3-7]，芯片原子钟要求其光源器件VCSEL在高温工作环境下实现单模且波长稳定的激光输出。VCSEL的腔模位置对其输出波长具有重要影响，腔模对应的光学增益由有源区提供[8-9]，并且腔模的温漂速率小于量子阱增益峰值波长的温漂速率，因此外延材料需要进行腔模与增益失谐的合理设计，使VCSEL的腔模增益在70 ℃～90 ℃温度区间内保持较高水平，以确保器件稳定的激射性能。

对VCSEL进行结构设计、外延材料分析、工艺制备和封装测试，并结合测试结果对所设计结构及工艺进行反馈优化，是实现VCSEL稳定波长激光输出的有效手段。2006年Koyama介绍了VCSEL的优势及其在光信号处理方面的发展潜力[10]。1993年Young等利用腔模增益研究高温下VCSEL的工作特性，获得了145 ℃高温环境下工作的VCSEL芯片[11]。1994年Lu等通过研究腔模增益，实现了VCSEL大温度范围内工作的卓越特性[12]。2013年Zhang等采用基于准三维有限元分析VCSEL模型研究器件结构的温度分布和波长输出，得到了输出波长为795 nm的VCSEL芯片[13]。2016年Xiang等采用增益腔模失配特性制备出阈值电流为1.94 mA、输出波长为894.6 nm的VCSEL芯片[14]。高性能可调谐半导体激光器已在发射现场气体浓度检测领域提供新的解决思路[15]。近年来，随着VCSEL在微型电子类产品中所具有的优势，其已成为半导体激光器应用领域的研究热点。由于VCSEL的外延材料为多层膜结构，分布式布拉格反射镜(DBR)及有源区材料光学厚度会随温度变化引起谐振腔光学厚度变化，从而使输出波长发生变化。因此，对VCSEL腔模位置与输出波长的影响进行研究，制备出稳定波长激光输出的VCSEL芯片，对其在照明、医疗、军事等方面的应用具有重要意义。

本文针对适用于芯片原子钟(CSAC)的VCSEL器件，利用腔模与增益匹配的VCSEL外延结构，结合实验研究了VCSEL腔模位置对输出波长的影响，设计出7组腔模位置不同的VCSEL结构，通过垂直腔面发射激光器工艺制备VCSEL芯片，采用光谱仪对VCSEL的输出波长进行测试并与所设计腔模位置进行对比，得到了VCSEL腔模位置与输出波长的线性对应关系。根据实验结果，设计出腔模位置在890.5 nm的VCSEL结构，所制备芯片实现了85 ℃高温环境下894.6 nm的稳定波长激光输出。

1 实验及理论分析

1.1 腔模位置与输出波长关系理论分析

VCSEL谐振腔的光学厚度通常为λ0/2的整数倍(λ0为所设计激光器的输出波长)，VCSEL的谐振腔腔长极短，具备单纵模特性，将VCSEL结构中的谐振腔等效为一层，称为镜腔。光在VCSEL结构中传输时通过上下DBR反射后在镜腔界面的反射相位刚好相差π的奇数倍，造成光场的相互抵消，使反射率降低，因此在反射谱上所设计波长λ0处的反射率最低。

在反射谱中，反射带宽用微扰法进行解析，可表示为

(1)

式中：Δλ为反射带宽；Δn为折射率差；neff为有效折射率；λ0为所设计激光器的输出波长。通过(1)式可计算出截止带(高反射率带)宽度。VCSEL结构的反射谱可由传输矩阵理论计算得出，光通过第k层DBR反射镜的传输矩阵可表达[16]为

(2)

式中：B、C表示传输矩阵元；δj为通过第k层后光场所产生的相位变化；nj为第j层的折射率；i为层数；nk+1为出射介质的折射率。

多层材料的反射率可用传输矩阵元表示为

(3)

式中：n0为入射介质的折射率；*表示取复共轭。由(3)式可得出各个波长对应的反射率及VCSEL的反射谱，在高反射带上出现的1个反射率较低的位置即为腔模位置。

VCSEL的谐振腔由两个DBR夹有厚度为Lc、反射率为ns的隔离膜结构组成。输出波长为λ0的谐振条件可表示为

(4)

(5)

式中：θ1、θ2分别为两个反射镜上反射波的相移；N为驻波波峰波节，N=1,2,….

设θ1=θ2=π(ns<n1且n1>n2)，当N=2时，构成隔离层中心为驻波波峰的λ0/2谐振腔。光波在VCSEL结构中循环反射，并在谐振腔中形成驻波[17]，最后实现波长λ0输出。

1.2 VCSEL设计及制备

下面根据VCSEL腔模位置与输出波长的理论关系，设计多组谐振腔光学厚度不同，即腔模位置不同的VCSEL结构；采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)方法进行VCSEL材料的外延生长，通过工艺制备得到VCSEL芯片，对VCSEL的输出波长进行测试并与所设计腔模位置进行对比分析，研究VCSEL腔模位置与输出波长之间的关系。

本文所设计的VCSEL结构示意图如图1所示，该结构中N型DBR由34对Si掺杂浓度为2×1018 cm-3的Al0.9Ga0.1As/Al0.12Ga0.88As缓变层组成，用于提供大于99%的反射率；有源区由两对InyGa(1-y)As/AlxGa(1-x)As量子阱组成；厚度为30 nm的Al0.98Ga0.02As作为氧化限制层；P型DBR由22对C掺杂浓度为1.5×1018 cm-3的Al0.9Ga0.1As/Al0.12Ga0.88As缓变层构成，每对DBR的光学厚度均为λ0/2.

图1 VCSEL结构示意图
Fig.1 Schematic diagram of VCSEL

对VCSEL外延片进行工艺制备的具体步骤如下：1)进行光刻与刻蚀工艺，采用电感耦合等离子体(ICP 180)在外延片P面刻蚀出圆形台面结构，刻蚀深度为4.6 μm；2)在400 ℃的管式氧化炉内，经120 min的水汽氧化形成氧化限制层，氧化孔径约为4 μm[18]；3)氧化完成后采用等离子体增强PECVD方法进行钝化，并用PI胶填充间隔槽，使其达到平坦的台面结构；4)采用磁控溅射工艺制备P面金属电极，将N面减薄抛光至150 μm，并制备N面金属电极；5)进行退火工艺，使N面电极和P面电极形成良好的欧姆接触。

完成工艺制备后，对VCSEL芯片进行解理封装，采用Loomis解理设备进行解理，将热敏电阻、电热丝、衰减片以及VCSEL芯片等封装在印刷电路板上，完成封装工作。选用荷兰Avaspec公司生产的Avaspec ULS2048L-2-USB2光谱仪(步长为0.25 nm)及测试软件AvaSoft8进行激射光谱测试，测试过程中采用CPT物理测试系统(温度精确度为0.01 ℃，电流精确度为0.001 mA)控制温度和电流值，得到稳定温度下VCSEL的输出波长并与所设计的腔模位置进行对比分析，研究得出VCSEL腔模位置与输出波长之间的关系。

2 实验结果与分析

本文采用美国NANOMETRICS公司生产的RPM2000 PL-Mapping快速扫描荧光光谱仪在室温对VCSEL外延片进行测试，获得VCSEL外延片的腔模位置，测试结果如图2所示。

图2 不同VCSEL外延结构在25 ℃下的腔模位置图
Fig.2 Positions of cavity modes for different VCSEL structures at 25 ℃

对VCSEL外延片分别开展工艺制备并得到VCSEL芯片。在25 ℃及0.5 mA驱动电流的工作环境中对VCSEL芯片的输出波长进行测试，获得的输出光谱如图3所示，芯片1～7的输出波长分别为887.4 nm，888.2 nm，892.0 nm，897.4 nm，898.6 nm，900.5 nm和901.5 nm.

图3 不同VCSEL结构在25 ℃的输出光谱
Fig.3 Output spectra of different VCSEL structures at 25 ℃

图4所示为VCSEL腔模及输出波长的统计结果。由图4(a)可知，在0.5 mA驱动电流下芯片1～7的输出波长与腔模位置呈线性关系，腔模位置的变化与输出波长的变化趋势相同，7个VCSEL芯片的输出波长均比腔模位置略大。这是因为VCSEL在连续工作时内部产生热量，从而引起谐振腔光学厚度的变化，AlxGa(1-x)As等材料的禁带宽度及折射率随温度均有变化[19-21]，温度升高会导致VCSEL增益谱及材料折射率发生变化，从而使谐振腔及DBR光学厚度增加，并引起VCSEL腔模位置红移。结果表明，本实验中VCSEL腔模位置的红移速率为～0.058 nm/℃.对VCSEL进行变温光谱测试，获得VCSEL输出波长随温度的变化曲线，如图4(b)所示，芯片6的峰位红移速率约为0.063 nm/℃，测试结果表明VCSEL的峰位红移速率为(0.062±0.002)nm/℃.

图4 VCSEL腔模及输出波长
Fig.4 Cavity mode and output spectra of VCSEL

根据理论分析和实验获得的结果，对70 ℃～90 ℃温度区间内波长为894.6 nm的VCSEL芯片进行结构设计，所设计VCSEL结构的腔模位置为890.5 nm.外延生长的890.5 nm VCSEL腔模位置测试结果如图5所示。由图5可见，在890.5 nm处出现了反射率相对较低且半峰宽很小的尖峰，该尖峰所对应的位置即为腔模位置，表明外延材料的腔模位置满足设计需要。

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

对外延片开展工艺制备得到VCSEL芯片，并对芯片进行封装及性能测试。激射谱测试结果如图6所示，在30 ℃及0.5 mA驱动电流的工作条件下输出波长为891.2 nm；85 ℃及0.5 mA驱动电流的工作条件下输出波长为894.6 nm.图6中的插图为VCSEL的输出波长随温度的线性变化曲线。从图6可见，输出波长随温度变化的速率为0.062 nm/℃，输出波长的温漂速率与腔模位置的温漂速率接近，符合预期实验设计。由图6中的温漂测试结果可知，通过对工作温度进行调整，可实现在70 ℃～90 ℃的高温工作环境中，0.5 mA驱动电流条件下获得894.6 nm输出波长的VCSEL芯片。

图6 VCSEL的温漂曲线
Fig.6 Temperature drift of VCSEL

3 结论

本文分析了腔模位置对器件输出波长的影响，设计并制备了多组腔模位置不同的VCSEL芯片，对VCSEL的腔模位置与输出波长进行了测试分析。通过实验研究得出VCSEL的腔模位置与输出波长呈线性对应关系。设计出腔模位置为890.5 nm的VCSEL外延结构，通过器件工艺实现了在85 ℃高温环境条件下894.6 nm稳定波长激光输出的VCSEL芯片。通过合理设计VCSEL的腔模位置，实现了对VCSEL芯片目标输出波长的调控，该研究为其他波段实现稳定波长激光输出的VCSEL奠定了基础。