一種新型的垂直外腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器

1、一種新型的垂直外腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器沈少棠北京工業(yè)大學(xué)應(yīng)用 數(shù)理學(xué)院 000611指導(dǎo)教師:宋晏蓉摘要 介紹了一種新型的垂直外腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)、制作工藝、優(yōu)點及其應(yīng)用。關(guān)鍵詞 激光器,半導(dǎo)體,垂直外腔面一、引言垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL及其陣列是一種新型半導(dǎo)體激光器,它是光子學(xué)器件在集成化方 面的重大突破,它與側(cè)面發(fā)光的端面發(fā)射激光器在結(jié)構(gòu)上有著很大的不同。端面發(fā)射激光器的出射 光垂直于晶片的解理平面;與此相反,VCSEL 的發(fā)光束垂直于晶片表面。它優(yōu)于端面發(fā)射激光器的 表現(xiàn)在:易于實現(xiàn)二維平面和光電集成;圓形光束易于實現(xiàn)與光纖的有效耦合;有源區(qū)尺寸極小, 可實現(xiàn)高封裝密度和低閾

2、值電流;芯片生長后無須解理、封裝即可進行在片實驗;在很寬的溫度和 電流范圍內(nèi)都以單縱模工作;價格低。 二、垂直腔面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)圖 1為 VCSEL 的結(jié)構(gòu)示意圖,由布拉格反射鏡,有源層和金屬層接觸組成。其襯底的選擇有以下 3種。1、 硅襯底 在硅 (Si 上制作的 VCSEL 還不曾實現(xiàn)室溫連續(xù)波工作。這是由于將 AlAs/GaAs DFB直接生長在 Si 上,其界面不平整所致,使 DFB 的反射率較低。 日本 Toyohashi 大學(xué)的研究者由于在 GaAs/Si異質(zhì)界面處引入多層(GaAsm(GaPn 應(yīng)變短周期超晶格(SSPS結(jié)構(gòu)而降低了 GaAs-on-Si 異質(zhì)結(jié)外延層的密度。2

3、、 藍寶石襯底 美國南方加利福利亞大學(xué)的光子技術(shù)中心為使 VCSEL 發(fā)射的 850nm 波長光穿過襯底, 采用晶片鍵合工藝將 VCSEL 結(jié)構(gòu)從吸收光的 GaAs 襯底移開,轉(zhuǎn)移到透明的藍寶石襯底上,提高了 wall-plug 效率,最大值達到 25%。3、砷化鉀襯底 基于砷化鉀(GaAs基材料系統(tǒng)的 VCSEL 由于高的 Q 值而備受研究者青睞,目前 VCSEL 采用最多也是生長在 GaAs 襯底上。但以 GaAsSb QW作為有源區(qū)的 CW 長波長 VCSEL 發(fā)射波長 被限制在 1.23 微米。發(fā)射波長 1.3 微米的 GaAsSb-GaAs 系統(tǒng)只有側(cè)面發(fā)射激光器中報道過。日前 美國

4、貝爾實驗室的 F.Quochi 等人演示了室溫 CW 時激射波長為1.28 微米的生長在 GaAs 襯底下的 光泵浦 GaAsSb-GaAs QW VCSEL。這個波長是目前報道的 GaAsSb-GaAs 材料系最長的輸出波長。三、垂直腔面發(fā)射激光器的制作新工藝1、氧化物限制工藝 氧化物限制的重大意義在于:能較高水平地控制發(fā)射區(qū)面積和芯片尺寸,并能 極大地提高效率和使光束穩(wěn)定地耦合進單模和多模光纖。因此,采用氧化物限制方案器件有望將閾 值電流降到幾百 A,而驅(qū)動電流達到幾個 mA 就足以產(chǎn)生 1mW 左右的輸出光功率。采用氧化孔徑來 限制電流與光場,使效率得到顯著提高,同時降低了 VCSEL

5、的閾值電流。所以,現(xiàn)在極有可能在單 個芯片上制作大型和密集型封裝的氧化限制 VCSEL 陣列而不會存在嚴重的過熱問題。除低閾值電流和高效率外, 均勻性是成功的 VCSEL 陣列的又一重要因素。 在駐波節(jié)點處設(shè)置微氧化孔提高了 VCSEL 陣列的均勻性,并降低了小孔器件的散射損耗。美國 University of Southern California大學(xué)日 前演示的均勻晶片鍵合氧化限制底部發(fā)射 850nm VCSEL陣列中,5 * 5 VCSEL陣列的平均閾值電流 低至 346 毫安,而平均外量子效率接近 57%,室溫連續(xù)波電流激射時單模輸出功率超過 2 mW。他們 還演示了大(10* 20V

6、CSEL 陣列,其閾值電流和外量子效率的變化分別低于 4%與 2%。2、晶片鍵合工藝 長波長垂直腔面發(fā)射激光器(LW-VCSEL因其低價格、超低閾值和小的光束發(fā)散 角,作為光纖通信系統(tǒng)中的激光源有很大的潛力。但是由于它的氧化層和有源層間存在著為滿足足 夠的電流傳播和弱的光橫向限制的固有距離, 使 LW-VCSEL 遭受橫電光限制, 因此在高的結(jié)電流時會 出現(xiàn)一個不穩(wěn)定的橫模圖形。日本 NTT 光子實驗室將具有充分的橫向限制的掩埋異質(zhì)結(jié)(BH引入 VCSEL 中,采用了薄膜晶 片鍵合工藝使 InP 基掩埋異質(zhì)結(jié) VCSEL 制作在 GaAs-DBR 上。具體過程如下:(a采用 MOCVD 生長

7、InP 基激光器結(jié)構(gòu)(第一次生長 ; (b采用反應(yīng)離子刻蝕(RIE形成臺面方形; (c再一次生長 摻 Fe InP 層和 n-InP 層(第二次生長 ; (d又一次生長 p-InP 相位匹配和 p-InGaAs 接觸層(第三 次生長 ; (e 將外延層安裝在 Si 板上并用蠟作機械支撐; (f 采用 HCl 和 H3PO4化學(xué)溶液腐蝕 InP 襯底和 InGaAsP 腐蝕中止層; (g將 InP 基和 GaAs 基層的兩表面在相同結(jié)晶方向面對面放置,然后 在室溫下蠟熔解而使 Si 片分開,將樣品送入退火爐以形成化學(xué)鍵合; (h將臺面上部的 p-InGaAs 移開并將普通電極和 SiO2-TiO

8、2介質(zhì)鏡從臺面上移去。底部涂覆一層抗反射涂層。因為熔合界面遠離有源區(qū),而且它不在器件電流通過的路徑上,所以晶片鍵合過程不會影響器 件特性。此 LW- VCSEL 結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點:首先,諧振腔波長可在晶片融合之前監(jiān)控, 因此發(fā)射波 長可以提前控制。 第二,激光器工作的可靠性會由于有源層和 InP-GaAs熔合界面之間有足夠距離 而變得很高。 此外, 它能低電壓工作的潛力在很大程度上是因為 p-GaAs-AlAs DBR 和 p-InP-p- GaAs 界面間的高電阻得到了消除。四、垂直腔面發(fā)射激光器的優(yōu)點垂直外腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器是二十世紀九十年代后期發(fā)展起來的新技術(shù)。它兼顧了面發(fā)射激 光器、邊

9、發(fā)射激光器和固體激光器三者的優(yōu)點,既有好的光斑模式和較高的輸出功率,波長又很容 易設(shè)計成不同波段。與垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL相比,VECSEL的光斑尺寸比較大( 100微米,VCSEL尺寸只有幾微米,輸出功率已經(jīng)得到 2W 以上 (VCSEL的功率只有幾毫瓦 1; 通過外腔選模, 輸出的光斑質(zhì)量可與TEM 00模固體激光器相比擬, 同時由于VECSEL的輸出鏡和半導(dǎo)體增益芯片是分離的, 因此可以在腔中加入各類調(diào)諧元件,類似固體 激光器。與固體激光器相比,VECSEL在吸收光和發(fā)射光波長方面也有很大的優(yōu)勢

10、。由于半導(dǎo)體材料 的吸收帶很寬,因此對泵浦源的波長及穩(wěn)定度要求不高。發(fā)光波長是由半導(dǎo)體增益介質(zhì)的材料組分 和量子阱的厚度決定的,原則上可以得到 600nm-1700nm的任何波長,覆蓋范圍廣,并且可以連續(xù)變 化。經(jīng)過倍頻后,可以擴展到目前熱點追蹤的藍綠光波段 2。五、垂直外腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用VCSEL 發(fā)射激光器是光通信中的一種深具潛力的固體激光源,被稱為新千年最重要的光通信器 件。其特征為圓形輸出光束,易與光纖耦合,轉(zhuǎn)換效率高,調(diào)制速率快,閥值很低,噪聲小;垂直腔面很小,易于高密度大規(guī)模集成和成管前整片檢測。VCSEL 還非常適合在光互連、激光打印、氣 體檢測、高密度光存儲、顯示方面

11、的應(yīng)用。VCSEL 的運用,使得曾經(jīng)受控于 LEDs 或邊發(fā)射的激光技術(shù)獲得更高效率、更大作用以及更高精 度。從光驅(qū)到多維光導(dǎo)網(wǎng)絡(luò),從 DVD 播放器到動作感應(yīng)裝置,從信息到工業(yè)乃至醫(yī)藥市場無數(shù)的應(yīng) 用中,VCSEL 都能實現(xiàn)驚人的成效。VCSEL 已完全使光電科技步入更高水平。在生物醫(yī)學(xué)中,觀察生物用的普通染料有毒,容易使生物活性細胞死掉。二十世紀九十年代末 開發(fā)出的熒光蛋白質(zhì)染料是具有生物活性的物質(zhì),不會殺死活體細胞,日益得到廣泛應(yīng)用。圖 1是 四種典型的熒光蛋白質(zhì)的吸收光譜。可以看出,除了ECFP的吸收是 400nm左右的短波長,其他三種 活性熒光染料都可以用 488nm的激光來激發(fā)。而

12、對于 514nm附近的波長,其他三種蛋白質(zhì)(綠、黃、 紅的吸收都在 50%以上,即這個波長可以同時激發(fā)三種染料,特別適用于多波長生物標識。因此 488nm-514nm波長在生物醫(yī)學(xué)中有很重要的應(yīng)用價值。 由于固體激光器發(fā)光波長的限制, 目前主要的 激光源是氬離子激光器。但氬離子激光器功率消耗大,壽命有限 3,因此開發(fā) 488nm-514nm波長的小 型化固體或半導(dǎo)體激光器,取代氣體激光器,對節(jié)省能源,降低消耗,保護生態(tài)環(huán)境方面具有重大 意義。由于VECSEL同時縮小了泵浦源和諧振腔兩部分,使總體體積大大縮小,在實際應(yīng)用中,可以 很方便地作為儀器儀表和顯微鏡的配套光源,攜帶方便,實用化程度高。因此研制出以GaAs為襯底 的 976nm-1028nm的OP-VECSEL, 倍頻后得到 488nm-514nm波長的VECSEL連續(xù)激光器具有重大意義。 此 外,生物醫(yī)學(xué)上觀測的活性樣品在連續(xù)光照射下容易被破壞,利用紅外光源的雙光子吸收可以解決 這個問題,并消除激發(fā)光源的背景干擾,提高分辨率。由于VECSEL的增益芯片和腔鏡是分離的,激 光腔中可以加入半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM被動鎖模,產(chǎn)生皮秒或飛秒寬度的脈沖,較好地滿足 這種需求。從熒光蛋白質(zhì)的發(fā)射譜(見下圖來看,如果激發(fā)光波長和發(fā)射光波長過近,容易造成 背景光干擾。而雙光子吸收利用的基頻光是近紅外光,遠離發(fā)射波長,沒有干