摘要：為得到高溫環(huán)境下894.6 nm穩(wěn)定波長(zhǎng)激光輸出的垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器（VCSEL），設(shè)計(jì)并制備了腔模位置不同的VCSEL芯片；通過對(duì)VCSEL腔模位置、輸出波長(zhǎng)和溫漂系數(shù)的測(cè)試分析，研究了腔模位置對(duì)器件輸出波長(zhǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)腔模位置與輸出波長(zhǎng)具有線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。設(shè)計(jì)了腔模位置在890.5 nm的VCSEL外延片結(jié)構(gòu)，經(jīng)工藝制備得到了85 ℃高溫環(huán)境下894.6 nm穩(wěn)定波長(zhǎng)激光輸出的VCSEL芯片。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過調(diào)控腔模位置可得到目標(biāo)波長(zhǎng)激光輸出的VCSEL芯片，該研究為研制其他波段穩(wěn)定波長(zhǎng)激光輸出的垂直腔面發(fā)射激光器奠定了基礎(chǔ)。

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(shì)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(dòng)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(chǎng)化的普及，VCSEL的市場(chǎng)需求將會(huì)進(jìn)一步爆發(fā)。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，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(zhǎng)穩(wěn)定的激光輸出。VCSEL的腔模位置對(duì)其輸出波長(zhǎng)具有重要影響，腔模對(duì)應(yīng)的光學(xué)增益由有源區(qū)提供，并且腔模的溫漂速率小于量子阱增益峰值波長(zhǎng)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(duì)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(cè)試，并結(jié)合測(cè)試結(jié)果對(duì)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(zhǎng)激光輸出的有效手段。2006年Koyama介紹了VCSEL的優(yōu)勢(shì)及其在光信號(hào)處理方面的發(fā)展?jié)摿Α?993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。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。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(zhǎng)輸出，得到了輸出波長(zhǎng)為795 nm的VCSEL芯片。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(zhǎng)為894.6 nm的VCSEL芯片。高性能可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器已在發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)氣體濃度檢測(cè)領(lǐng)域提供新的解決思路。近年來(lái)，隨著VCSEL在微型電子類產(chǎn)品中所具有的優(yōu)勢(shì)，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(huì)隨溫度變化引起諧振腔光學(xué)厚度變化，從而使輸出波長(zhǎng)發(fā)生變化。因此，對(duì)VCSEL腔模位置與輸出波長(zhǎng)的影響進(jìn)行研究，制備出穩(wěn)定波長(zhǎng)激光輸出的VCSEL芯片，對(duì)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(duì)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(duì)輸出波長(zhǎng)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(duì)VCSEL的輸出波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)試并與所設(shè)計(jì)腔模位置進(jìn)行對(duì)比，得到了VCSEL腔模位置與輸出波長(zhǎng)的線性對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)），VCSEL的諧振腔腔長(zhǎng)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(shí)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(chǎng)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(zhǎng)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

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(zhǎng)。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)為

式中：B、C表示傳輸矩陣元；δj為通過第k層后光場(chǎng)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

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(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的反射率及VCSEL的反射譜，在高反射帶上出現(xiàn)的1個(gè)反射率較低的位置即為腔模位置。

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

式中：θ1、θ2分別為兩個(gè)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（ns ﹤ n1且n1 ﹥ n2），當(dāng)N = 2時(shí)，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，最后實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)，通過工藝制備得到VCSEL芯片，對(duì)VCSEL的輸出波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)試并與所設(shè)計(jì)腔模位置進(jìn)行對(duì)比分析，研究VCSEL腔模位置與輸出波長(zhǎng)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(duì)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(duì)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(duì)C摻雜濃度為1.5 × 1018 cm-3的Al0.9Ga0.1As / Al0.12Ga0.88As緩變層構(gòu)成，每對(duì)DBR的光學(xué)厚度均為λ0 / 2。

圖1 VCSEL結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)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(tái)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；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(tái)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(duì)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 ULS2048L2-USB2光譜儀（步長(zhǎng)為0.25 nm）及測(cè)試軟件AvaSoft8進(jìn)行激射光譜測(cè)試，測(cè)試過程中采用CPT物理測(cè)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(zhǎng)并與所設(shè)計(jì)的腔模位置進(jìn)行對(duì)比分析，研究得出VCSEL腔模位置與輸出波長(zhǎng)之間的關(guān)系。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

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

對(duì)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(dòng)電流的工作環(huán)境中對(duì)VCSEL芯片的輸出波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)試，獲得的輸出光譜如圖3所示，芯片1~7的輸出波長(zhǎng)分別為887.4 nm，888.2 nm，892.0 nm，897.4 nm，898.6 nm，900.5 nm和901.5nm。

圖4所示為VCSEL腔模及輸出波長(zhǎng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由圖4（a）可知，在0.5 mA驅(qū)動(dòng)電流下芯片1~7的輸出波長(zhǎng)與腔模位置呈線性關(guān)系，腔模位置的變化與輸出波長(zhǎng)的變化趨勢(shì)相同，7個(gè)VCSEL芯片的輸出波長(zhǎng)均比腔模位置略大。這是因?yàn)閂CSEL在連續(xù)工作時(shí)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，溫度升高會(huì)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(duì)VCSEL進(jìn)行變溫光譜測(cè)試，獲得VCSEL輸出波長(zhǎng)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(cè)試結(jié)果表明VCSEL的峰位紅移速率為（0.062± 0.002) nm/℃。

圖2 不同VCSEL外延結(jié)構(gòu)在25 ℃下的腔模位置圖

圖3 不同VCSEL結(jié)構(gòu)在25 ℃的輸出光譜

根據(jù)理論分析和實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)果，對(duì)70 ℃~90 ℃溫度區(qū)間內(nèi)波長(zhǎng)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(zhǎng)的890.5 nm VCSEL腔模位置測(cè)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(duì)較低且半峰寬很小的尖峰，該尖峰所對(duì)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。

對(duì)外延片開展工藝制備得到VCSEL芯片，并對(duì)芯片進(jìn)行封裝及性能測(cè)試。激射譜測(cè)試結(jié)果如圖6所示，在30 ℃及0.5 mA驅(qū)動(dòng)電流的工作條件下輸出波長(zhǎng)為891.2 nm；85 ℃及0.5 mA驅(qū)動(dòng)電流的工作條件下輸出波長(zhǎng)為894.6 nm。圖6中的插圖為VCSEL的輸出波長(zhǎng)隨溫度的線性變化曲線。從圖6可見，輸出波長(zhǎng)隨溫度變化的速率為0.062 nm/℃，輸出波長(zhǎng)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(cè)試結(jié)果可知，通過對(duì)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(dòng)電流條件下獲得894.6 nm輸出波長(zhǎng)的VCSEL芯片。

圖4 VCSEL腔模及輸出波長(zhǎng)

圖5 890.5 nm VCSEL的腔模位置

圖6 VCSEL的溫漂曲線

3結(jié)論

本文分析了腔模位置對(duì)器件輸出波長(zhǎng)的影響，設(shè)計(jì)并制備了多組腔模位置不同的VCSEL芯片，對(duì)VCSEL的腔模位置與輸出波長(zhǎng)進(jìn)行了測(cè)試分析。通過實(shí)驗(yàn)研究得出VCSEL的腔模位置與輸出波長(zhǎng)呈線性對(duì)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(zhǎng)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(duì)VCSEL芯片目標(biāo)輸出波長(zhǎng)的調(diào)控，該研究為其他波段實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定波長(zhǎng)激光輸出的VCSEL奠定了基礎(chǔ)。