潘冠中 荀孟 赵壮壮 孙昀 蒋文静 周静涛 吴德馨
(中国科学院微电子研究所,北京 100029)
本文针对激光雷达等三维传感应用,设计并制备了905 nm 波长的高功率密度5 结级联垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser,VCSEL).制备的5 结级联VCSEL 单管(氧化孔径8 µm)的功率转换效率高达55.2%;其最大斜率效率为5.4 W/A,约为相同孔径单结VCSEL 的5 倍.窄脉冲条件下(脉冲宽度为5.4 ns,占空比0.019%),5 结级联19 单元VCSEL 阵列(单元孔径20 µm)的峰值输出功率达到58.3 W,对应的峰值功率密度高达1.62 kW/mm2.对不同孔径器件(8—20 µm)的光电特性进行了测试和分析.结果显示,这些器件的最大斜率效率均大于5.4 W/A,最大功率转换效率均大于54%.这些高性能VCSEL 器件可作为激光雷达等三维传感应用的理想光源.
近年来,三维(three dimensional,3D)传感技术在消费电子、医疗、工业等领域的应用越来越重要[1].传统的图像传感技术依赖环境光,在昏暗的环境下和光束直接照射的情况下性能较差.3D 传感技术不仅可以克服环境光的干扰,而且能够采集深度信息,实现环境分析,具有更高的安全性和准确性[2].因此,3D 传感技术已经被广泛应用到人脸识别、激光雷达、机器人等诸多应用场景.
在3D 传感技术中,红外光源作为光发射器,是必不可少的元件.常用的红外光源主要包括红外发光二极管(infrared light emitting diode,IR LED)[3],半导体边发射激光器(edge emitting laser,EEL)[4]和垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser,VCSEL)[5].由于IR LED 发射的是非相干光,其发散角较大,且光谱较宽(约30—40 nm),与之匹配的滤波器带宽较大,导致大量环境光进入到探测器中,造成信噪比降低.与IR LED 相比,EEL 和VCSEL 都是相干光源,具有较窄的光谱(大约几个nm),从而可以获得较高的信噪比.相对于传统的单结低功率VCSEL,EEL 在功率转换效率(power conversion efficiency,PCE)、人眼安全、以及远程测距等方面更有优势,是目前激光雷达的主流光源.但是,EEL 的制备和封装工艺较为复杂,且无法在片测试,制备成本较高.与EEL 平行于衬底出光不同,VCSEL 垂直于衬底出光,不仅可以实现在片测试,而且可以容易集成二维阵列,通过控制阵列单元数目就可以实现出光功率的缩放,对优化输出功率提供了很大的灵活性.此外,VCSEL 还具有高可靠性、低制造成本、圆形光斑、温度稳定性高等优势.因此,VCSEL 越来越受重视,并正在逐渐成为激光雷达等3D 传感应用的首选光源[6-11].
然而,由于传统VCSEL 的增益区域较短,VCSEL 单管的输出功率通常小于EEL 单管的输出功率.在许多3D 传感应用中,特别是中远程激光雷达,高峰值脉冲功率、高功率密度和高功率转换效率是对光源的基本要求.通常,将VCSEL 单管的出光孔径增大,或将多个VCSEL 单管集成到一个阵列中,通过增加阵列发光单元的数目,来提高输出功率[12].但这些方法会增大VCSEL 器件的发光面积,不仅会降低光功率密度,且会对后期的光束准直带来困难.
相比于传统的单结VCSEL 器件,多结级联VCSEL 在外延生长过程中,将多个有源区在同一个谐振腔内通过隧道结串联起来,从而可以获得较大的增益[13].在不增加芯片面积的情况下,多结级联VCSEL 的光输出功率相对于同孔径单结VCSEL 的输出功率呈倍数提升,不仅可以获得较高的功率密度,而且能够大大地提高VCSEL 器件的PCE.此外,增益的提高可以降低多结VCSEL的工作电流,从而减小驱动电路的功耗和成本,也可以实现电压和电流的折中优化以提高驱动电路的兼容性.
目前,多结级联技术已广泛应用在边发射半导体激光器中.Muller等[14]于2007 年提出了激射波长为940 nm 的3 结级联激光器,在脉冲电流下(脉冲宽度100 µs,占空比1%)得到的最大输出功率为615 W,斜率效率为3.38 W/A.Boucher等[15]于2009 年提出了1550 nm 长波长的3 结级联激光器,峰值输出功率大于37 W,斜率效率是单结激光器的2.5 倍.多结级联VCSEL 的相关研究主要集中在20 世纪末和21 世纪初.Kotaki等[16]在1984 年最先提出了波长1.22 µm 的双结级联VCSEL,其阈值电流相比于单结器件减小了1.4—2.5 倍.Schmid等[17]于1998 年在多结级联VCSEL中实现了大于100%的微分量子效率.随后,该课题组在2001 年实现了3 结级联VCSEL,在9 mA的电流下得到7.2 mW 的输出功率,微分量子效率达到130%,功率转换效率为16%[18].Kim等[19]开展了关于1.55 µm 的多结级联VCSEL 的研究,设计的3 结VCSEL 在脉冲条件下实现了大于100%的微分量子效率.近期,本课题组研制了双结级联905 nm VCSEL,斜率效率2.27 W/A,接近单结VCSEL 的2倍[20].如今,随着中远程激光雷达等应用对VCSEL 器件提出了更高的功率需求,许多VCSEL 制造商如Lumentum、Osram 等也加大了多结级联VCSEL 的研发力度.
本文针对激光雷达等3D 传感应用,设计并制备了905 nm 波长的高功率密度5 结级联VCSEL器件,并对多结VCSEL 的设计、器件结构和输出特性进行了详细的分析和讨论.
本文设计的5 结级联VCSEL 器件的结构示意图如图1(a)所示,由实际器件图中的A-A"方向截取得到.采用金属有机物化学气相沉积(metalorganic chemical vapor deposition,MOCVD)首先在GaAs 衬底上生长40 对N 型Al0.12Ga0.88As/Al0.9Ga0.1As 分布布拉格反射镜(N type distributed Bragg reflectors,N-DBRs).接着,在N-DBRs上方外延生长5 个有源区,每个有源区包含3 对6 nm 厚的In0.12Ga0.88As 量子阱层和8 nm 厚的Al0.3Ga0.7As 势垒层.有源区之间通过厚度为25 nm的重掺杂GaAs 隧道结连接起来.需要注意的是,由于隧道结掺杂浓度很高,为了减小隧道结的光吸收损耗,需要将隧道结置于驻波场的波节上;而为了增大光增益,需要将量子阱放置在驻波场的波腹处,如图1(b)所示.每个有源区上方均放置一层Al0.98Ga0.02As 高铝组分层,利用湿法氧化将其外围氧化为绝缘的AlOx,就可以将每个有源区的注入电流限制在氧化孔内,从而减少电流扩展,提高器件的微分量子效率.湿法氧化的条件如下: 炉温420 ℃,N2流量0.95 L/min,水温95 ℃.待整个有源区生长完成后,在其上方生长15 对P 型Al0.12Ga0.88As/Al0.9Ga0.1As 分布布拉格反射镜(P type distributed Bragg reflectors,P-DBRs),最后外延生长欧姆接触层.
图1 (a) 5 结级联VCSEL 的结构示意图,插图为制备得到的实际器件;(b) 驻波场中量子阱和隧道结的位置示意图Fig.1.(a) Schematic diagram of five-junction cascade VCSEL structure,the inset is the top view of a fabricated device;(b) position diagram of quantum well and tunnel junction in standing wave.
器件的制作过程如下.首先,在出光孔外围制作环形Ti/Pt/Au 欧姆接触P 电极.然后,采用感应耦合等离子体(inductive coupled plasma,ICP)刻蚀至N-DBR,将VCSEL 台面所有的高铝层暴露出来.接着,采用湿法氧化法将高铝层外围氧化,形成氧化孔.接下来,在P 电极上方电镀3 µm 厚金,改善横向散热,有利于提高器件的温度特性.然后,将衬底减薄至150 µm,并在其表面蒸发AuGeNi/Au 形成N 型电极.最后,对器件进行快速热退火,形成良好的欧姆接触.为了更好地分析5 结级联VCSEL 的光电性能,不仅制备了不同孔径的器件,同时还采用相同的工艺制备了905 nm单结VCSEL 器件作为对比.该单结VCSEL 器件除了需要较多的P-DBR 对数(18 对)来保证正常激射,其外延层组分、器件结构和制备工艺均和5 结级联VCSEL 器件相同.
在室温连续(continuous wave,CW)条件下,8 µm 氧化孔径的5 结级联VCSEL 单管的光功率-电流(light-current,L-I)特性、电压-电流(voltagecurrent,V-I)特性、功率转换效率(PCE)、以及光谱如图2(a)—(d)所示.相同孔径的单结VCSEL的测试特性曲线也呈现在图中作为对比.从L-I特性曲线可以发现,5 结VCSEL 和单结VCSEL 的阈值电流分别为0.6 mA 和0.8 mA,相应的P 型DBR 的对数分别为15 对和19 对.虽然5 结VCSEL的P-DBR 对数少,但是由于5 个有源区级联可以大大提高光增益,从而减小了器件阈值.单结VCSEL和5 结级联VCSEL 的饱和功率分别为18.3 mW和33.5 mW.在线性区域内,相同电流下5 结VCSEL 的输出功率是单结的5 倍以上.例如当注入电流I=4 mA 时,单结VCSEL 输出功率只有3.4 mW,而5 结级联VCSEL 输出功率为18.1 mW,是单结功率的5.3 倍.另外,单结VCSEL 的最大斜率效率只有1.1 W/A,而5 结级联VCSEL 的最大斜率效率为5.4 W/A,是单结斜率效率的近5 倍.除此之外,当输出功率均为10 mW 时,单结VCSEL 需要的驱动电流为10 mA,而5 结级联VCSEL 需要的驱动电流仅为2.4 mA,这有益于减小驱动电路的功耗和成本.
图2 氧化孔径8 µm 的5 结VCSEL 与单结VCSEL 在室温CW 条件下的测试结果 (a) L-I 曲线;(b) V-I 曲线;(c) PCE-L 曲线;(d) 5 结VCSEL 在1 mA 下的光谱Fig.2.Measured results of 5-junction VCSEL and single junction VCSEL with 8 µm oxide aperture under CW condition at room temperature: (a) L-I curves;(b) V-I curves;(c) PCE-L curves;(d) spectrum of 5-junction VCSEL measured at 1 mA.
图2(b)对比了单结VCSEL 和5 结级联VCSEL的V-I特性.由于5 结级联VCSEL 比单结VCSEL多了4 个有源区和4 个隧道结以及额外的一些匹配层,其开启电压要大于单结VCSEL 的开启电压.从图2(b)可以发现,单结VCSEL 的开启电压只有1.54 V,而5 结级联VCSEL 的开启电压高达6.89 V,但比其光子能带电压6.85 V 仅大了40 mV,没有引入太多的额外电压,证明隧道结的设计、掺杂浓度和生长质量较好.另外,从图2(b)可以看出,5 结VCSEL 的串联电阻约为157 Ω,大于单结VCSEL 的串联电阻90 Ω.这也是因为在5 结VCSEL 内,多个有源区、隧道结和匹配层的存在,使串联电阻增大.图2(c)展示了两种器件的PCE,单结的最大PCE 只有44.1%,且随着功率的增大而迅速降低;5 结VCSEL 的最大PCE为55.2%,且在9—30 mW 区间均保持在50%以上,这意味着5 结VCSEL 可以在较大的功率下仍然保持较高的PCE,这对于实际应用是至关重要的.图2(d)所示的是5 结VCSEL 在1 mA 时的光谱,其激射波长在905 nm 附近,符合预期设计.由于在8 µm氧化孔径下,VCSEL为多横模激射,因此在光谱图中显示为多个峰值.综合上述测试结果,5 结级联VCSEL 相对于单结VCSEL 器件,在功率、斜率效率及PCE 等方面具有较大的扩展能力,在许多大功率应用方面具有更大的优势.
图3 是在室温下测得的单结VCSEL 和5 结级联VCSEL 在不同耗散功率下的基模峰值波长的变化情况.耗散功率(Pdiss)定义为输入功率减去输出的光功率(Pout),Pdiss=I×V—Pout.其中,
I为工作电流,V为工作电压.从图3 可以发现,随着耗散功率的增加,两种器件基模光谱均发生红移,且5 结VCSEL 红移速率要比单结VCSEL红移速率大.通过对测量数据进行线性拟合,可以得到5 结VCSEL 和单结VCSEL 随耗散功率的红移速率(Δλ/ΔPdiss)分别为0.1739 nm/mW 和0.1390 nm/mW.由于5 结VCSEL 和单结VCSEL量子阱材料、DBR 材料均相同,其基横模光谱随温度的红移速率Δλ/ΔT相同,均为0.0638 nm/℃[21].对于VCSEL 器件,其热阻Rth的计算公式为Rth=ΔT/ΔPdiss=(Δλ/ΔPdiss)/(Δλ/ΔT).通过计算得到,5 结VCSEL 的热阻为2.73 ℃/mW,单结VCSEL 的热阻为2.18 ℃/mW.5 结VCSEL 的热阻大于单结VCSEL 的热阻,这是因为多个氧化层的引入,热量更难向衬底和侧向传导.因此,对于多结VCSEL 器件,一般采用窄脉冲驱动方式来降低其内部产热从而获得较大的峰值输出功率.
图3 单结VCSEL 和5 结VCSEL 器件的基模光谱随耗散功率的变化关系Fig.3.Variation of fundamental mode spectra of single junction VCSEL and 5-junction VCSEL devices with dissipated power.
接下来,在CW 条件下测试了8 µm 孔径5 结级联VCSEL 在不同环境温度下的特性曲线,如图4所示.显然,器件输出功率随着环境温度的升高而降低.当温度为25 ℃时,器件的最大输出功率为33.5 mW,器件阈值为0.6 mA.当温度增加到85 ℃时,最大输出功率降低到17.5 mW,阈值增大到1.0 mA.当温度进一步增加到125 ℃时,器件依然能正常工作,最大功率超过6.0 mW,如图4(a)所示.随着温度的增加,器件开启电压略微减小,如图4(b)所示,这是由于温度升高,本征载流子浓度升高,同时费米能级带隙减小导致的.随着温度的增加,虽然器件的电压略微减小,但由于器件的功率降低,且阈值增大,导致器件的PCE 随着温度的升高而下降,如图4(c)所示.将不同温度下器件的最大PCE 和最大SE 提取出来,如图4(d)所示.随着温度的升高,器件的最大PCE 和最大SE都在下降.当温度上升到85 ℃时,器件的最大PCE依然保持在42.7%,最大斜率效率仍大于4.3 W/A,展示出较好的温度特性.
图4 氧化孔径8 µm 的5 结VCSEL 在不同温度下的测试结果 (a) L-I曲线;(b) V-I 曲线;(c) PCE-I曲线;(d)最大PCE 和SE 随温度的变化Fig.4.Measured results of 5-junction VCSEL with 8 µm oxide aperture under CW condition at different temperatures: (a) L-I curves;(b) V-I curves;(c) PCE-I curves;(d) max PCE and SE versus temperature.
此外,在CW 条件下测试了不同孔径的5 结级联VCSEL 单管的光电特性,如图5 所示.从图5(a)所示的L-I曲线可以发现,随着氧化孔径从8 µm 增大到20 µm,器件的阈值从0.6 mA 增大到2 mA;器件的最大功率从33.5 mW 增大到70.2 mW.从图5(a)中还可以看出,孔径越大,器件的热翻转电流越大,这是因为大孔径器件的有源区面积更大,电流密度更低.随着孔径增大,器件的最大PCE 没有发生明显变化,如图5(c)所示.我们将不同孔径器件的最大PCE 和最大SE 提取到图5(d)中,可以发现,所有器件的最大斜率效率均大于5.4 W/A,最大PCE 均大于54%,展示出很好的性能均一性.
图5 不同氧化孔径5 结VCSEL 器件在室温下 (a) L-I 曲线;(b) V-I 曲线;(c) PCE-I 曲线;(d) 最大PCE 和SE 随孔径的变化Fig.5.Measured results of 5-junction VCSELs with different oxide apertures under CW condition at room temperature: (a) L-I curves;(b) V-I curves;(c) PCE-I curves;(d) max PCE and SE versus oxide aperture.
最后,制备了19 单元5 结VCSEL 阵列,单元氧化孔径为20 µm,制备得到的实际阵列及其尺寸如图6(a)所示.整个阵列有源区的直径为0.214 mm,阵列的总发光面积为0.036 mm2.测试了该19 单元VCSEL 阵列在窄脉冲条件下(脉冲宽度5.4 ns,占空比0.019%)不同驱动电路板电压下的峰值输出功率.图6(b)是驱动电路板电压为25 V 下测得的阵列光功率响应曲线,可以看出,脉冲宽度(半高全宽)为5.4 ns.图6(c)展示了19 单元阵列的峰值输出功率随驱动板电压的变化,可以发现,峰值功率随着驱动板电压先线性增大后趋近饱和,测得的最大峰值功率达到58.3 W,对应的最大峰值功率密度为1.62 kW/mm2.这种高峰值功率、高功率密度的多结级联VCSEL 阵列在中远距离激光雷达的应用中具有诱人的应用前景.
图6 (a) 制备的19 单元5 结VCSEL 阵列的俯视图和尺寸示意图;(b) 驱动板电压为25 V 下阵列的光功率响应曲线;(c) 19 单元阵列的峰值输出功率随驱动板电压的变化Fig.6.(a) Structure and size diagram of the fabricated19-element 5-junction VCSEL array;(b) the optical power response curve of the array at driving circuit board voltage of 25 V;(c) peak output power of the array versus circuit board driving voltage.
设计并制备了5 结级联905 nm VCSEL 及其阵列,CW 条件下不同孔径的器件最大斜率效率均大于5.4 W/A,最大PCE 均大于54%.窄脉冲条件下测试得到的19 单元5 结VCSEL 阵列的最大峰值功率达到58.3 W,峰值功率密度为1.62 kW/mm2.相对于单结VCSEL,5 结级联VCSEL 在输出功率、斜率效率及功率转换效率等性能上具有较大的优势.下一步我们会继续增加VCSEL 的结数,以获得更高的功率密度.另外,也需要解决多结VCSEL 的散热问题,提高器件的可靠性.
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