808nm高功率網(wǎng)狀電極vcsel的制備與性能研究

808nm高功率網(wǎng)狀電極vcsel的制備與性能研究

0在激光導(dǎo)放和激光測(cè)距方面的應(yīng)用進(jìn)展垂直腔發(fā)射半音器（tcsel）具有電流低、效率高、功耗低、離散角小、易于光束耦合和其他光學(xué)元件集成的優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于軍事、通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳感器、印刷等領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)外的研究工作主要集中在850nm、980nm和1300～1550nm長(zhǎng)波長(zhǎng)波段,808nm面發(fā)射大功率半導(dǎo)體激光器報(bào)道卻很少。由于808nmVCSEL在電光效率、光束質(zhì)量以及泵浦固體激光器的組態(tài)與耦合等方面的固有優(yōu)勢(shì),成為泵浦Nd∶YVO4和Nd∶YAG等軍品固體激光器的理想光源,使其在激光測(cè)距、激光制導(dǎo)、夜視等軍事領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。目前,高功率VCSEL普遍采用的是N面底出光、P面加熱沉的器件結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)可增大對(duì)VCSEL內(nèi)部的主要焦耳熱源-P型DBR的散熱能力,在一定程度上可以弱化載流子的聚集效應(yīng),并不適合808nm波段VCSEL。為此,通常采用加大出光孔徑的方法提高器件的輸出功率,但是傳統(tǒng)的環(huán)形電極結(jié)構(gòu)如加大出光孔徑會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的載流子聚集效應(yīng),使注入到有源區(qū)的工作電流只是通過(guò)邊緣環(huán)形區(qū)域很窄的通道,伴隨的空間燒孔現(xiàn)象則需要注入更大的電流,從而引起有源區(qū)周圍損耗區(qū)的光吸收增加和激射閾值增加,甚至造成部分器件無(wú)法激射,直觀的表現(xiàn)為器件不發(fā)光或者發(fā)光很不均勻,激光輸出的光束質(zhì)量受到影響。我們通過(guò)理論分析,在傳統(tǒng)環(huán)形結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一種新型的網(wǎng)狀電極結(jié)構(gòu),即將VCSELP面的環(huán)形注入電極通道改為P面的網(wǎng)狀式注入電極通道,并利用相同的工藝條件制備出光孔徑都為500μm的傳統(tǒng)和新型兩種不同結(jié)構(gòu)的VCSEL,然后對(duì)其輸出特性進(jìn)行比較,結(jié)果表明新型結(jié)構(gòu)相對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)輸出光束的均勻性明顯得到改善,整個(gè)發(fā)光區(qū)域都能夠均勻發(fā)光,克服了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)光不均勻或者不發(fā)光的現(xiàn)象,同時(shí)降低了閾值電流,輸出功率也得到提高。1網(wǎng)狀電極材料為了解決傳統(tǒng)大出光孔徑VCSEL的不均勻性問(wèn)題,我們提出并設(shè)計(jì)了新型網(wǎng)狀電極結(jié)構(gòu),將VCSELP面的注入電極由傳統(tǒng)的環(huán)形電極改為網(wǎng)狀電極并且熱沉位于N面電極。圖1為兩種結(jié)構(gòu)VCSEL的電極示意圖。傳統(tǒng)環(huán)形電極高功率VCSEL的電流由圓形電極注入,圓形電極與環(huán)形引導(dǎo)極間的環(huán)形溝槽充當(dāng)氧化窗口;網(wǎng)狀電極高功率VCSEL的電流直接由網(wǎng)狀電極注入,網(wǎng)狀電極區(qū)域同時(shí)也充當(dāng)氧化窗口,其他弧形分布孔和圓心處充當(dāng)出光孔,并且這些弧形孔均勻分布,相當(dāng)于把傳統(tǒng)的一個(gè)大出光孔分割成由若干同心環(huán)組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),可以削弱載流子的聚集效應(yīng),增大器件的有效發(fā)光面積,提高器件的電光性能。圖2為網(wǎng)狀電極結(jié)構(gòu)高功率VCSEL的截面圖,可以看出:網(wǎng)狀電極把一個(gè)大出光孔均勻分成12個(gè)弧形同心分布孔,每個(gè)出光孔的周圍電極區(qū)域充當(dāng)氧化窗口對(duì)出光孔進(jìn)行光電限制,氧化孔的腐蝕深度以達(dá)到有源區(qū)為宜。P型電極下面采用高熱導(dǎo)的新型AlN材料替代傳統(tǒng)的SiO2作為VCSEL的鈍化膜,同時(shí)優(yōu)化器件的結(jié)構(gòu)尺寸,提高器件的散熱能力。新型網(wǎng)狀電極的優(yōu)勢(shì)在于:(1)每個(gè)電流注入孔不僅是一個(gè)獨(dú)立的電流注入?yún)^(qū)也是一個(gè)獨(dú)立的發(fā)光區(qū),相當(dāng)于把傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的整體集中在中心電流注入?yún)^(qū)均勻分配給各個(gè)孔穴,因此注入載流子能夠均勻分布,基本上消除了載流子聚集效應(yīng);(2)各個(gè)獨(dú)立的尺寸很小的孔穴均勻分布在整個(gè)電流注入?yún)^(qū)內(nèi),整體結(jié)構(gòu)上弱化了電流在大面積注入孔中產(chǎn)生的空間燒孔現(xiàn)象;(3)各個(gè)孔穴被溝槽和氧化限制區(qū)分隔,緩解了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中出光孔發(fā)光不均勻或者不出光的現(xiàn)象,同時(shí)起到了散熱的作用。我們采用在同一芯片上、同一工藝條件下,制備了出光孔外部直徑完全相同的傳統(tǒng)電極和網(wǎng)狀電極兩種高功率VCSEL器件。制備器件的外延片采用分子束外延技術(shù)(MBE)生長(zhǎng)而成,其有源層包含3個(gè)GaAs-AlGaAs量子阱;由41對(duì)Al0.22Ga0.78As/GaAs組成的N-DBR;由22對(duì)Al0.22Ga0.78As/GaAs組成的P-DBR;為形成掩埋的AlGaAs/AlxOy結(jié)構(gòu),在P-DBR的第一對(duì)Al0.22Ga0.78As層中插入30nm的Al0.98Ga0.02As層,以便進(jìn)行濕法氧化。整個(gè)外延片的厚度為650μm,反射譜的中心波長(zhǎng)為808nm。在外延片的臺(tái)面上按照?qǐng)D1所示的兩種結(jié)構(gòu)采用光刻與反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)刻蝕出氧化窗口,刻蝕深度為4.5μm。外延片置于氧化爐中通N2/H2O進(jìn)行氧化,氧化溫度420℃,氧化時(shí)間35min,以達(dá)到光電限制的目的。然后鍍AlN鈍化膜,以提高器件的熱傳導(dǎo)能力。經(jīng)過(guò)三次套刻形成出光孔和電極窗口,濺射Ti-Pt-Au制作P型電極;利用超生波對(duì)芯片超生震動(dòng)剝離掉P面出光孔的Ti-Pt-Au,露出出光窗口;大面積N面減薄并拋光,使芯片厚度達(dá)到170μm,然后蒸鍍Au-Ge-Ni制作N面電極。最后將解理的管芯N面使用In焊料燒結(jié)在無(wú)氧銅熱沉上,制成兩種電極的高功率VCSEL單管器件。2nm網(wǎng)狀電極vcsel器件的電化學(xué)特性在室溫下利用半導(dǎo)體測(cè)試儀對(duì)傳統(tǒng)環(huán)形電極結(jié)構(gòu)和新型網(wǎng)狀電極結(jié)構(gòu)VCSEL連續(xù)工作狀態(tài)下的伏安特性和光電特性進(jìn)行測(cè)試,得到兩種結(jié)構(gòu)VCSEL的P-I-V關(guān)系曲線,如圖3所示。從圖3(a)的V-I特性曲線可以計(jì)算出傳統(tǒng)環(huán)形電極結(jié)構(gòu)VCSEL的微分電阻為0.6Ω,斜率效率為0.24mW/mA,而圖3(b)新型網(wǎng)狀電極結(jié)構(gòu)VCSEL的微分電阻為0.3Ω,斜率效率為0.44mW/mA。從P-I特性曲線可以計(jì)算出傳統(tǒng)環(huán)形電極結(jié)構(gòu)的閾值電流為640mA,新型網(wǎng)狀電極結(jié)構(gòu)的閾值電流為430mA。傳統(tǒng)環(huán)形電極結(jié)構(gòu)VCSEL器件在1100mA時(shí),即達(dá)到熱拐點(diǎn),最大輸出功率僅為185mW,而新型網(wǎng)狀電極結(jié)構(gòu)VCSEL器件在驅(qū)動(dòng)電流1300mA時(shí),最大輸出功率為420mW,是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)器件的2.27倍?？梢?新型網(wǎng)狀電極結(jié)構(gòu)的器件與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的器件相比,具有更好的光電特性。同時(shí),我們根據(jù)已經(jīng)測(cè)得的兩種結(jié)構(gòu)的P0、I0、V0的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出它們的電光轉(zhuǎn)換效率η并繪制出二者的變化曲線,如圖4。從圖4中可以看出新型網(wǎng)狀電極結(jié)構(gòu)VCSEL器件的電光轉(zhuǎn)換效率明顯高于傳統(tǒng)環(huán)形電極結(jié)構(gòu)VCSEL器件。新型網(wǎng)狀電極結(jié)構(gòu)VCSEL器件工作電流在1.2A時(shí),其電光轉(zhuǎn)換效率最大為21.7%,而傳統(tǒng)環(huán)形電極結(jié)構(gòu)VCSEL的電光轉(zhuǎn)換效率最大為7.8%。這是因?yàn)轫敳縋-DBR反射鏡結(jié)構(gòu)的VCSEL器件的總電阻由橫向電阻RL和垂直方向電阻RV組成,則器件的總電阻RS表示為RS=RL+RV=ρinf2πra+ρ0πr2a(1)RS=RL+RV=ρinf2πra+ρ0πra2(1)式中,ρinf和ρ0為特征電阻系數(shù),ra為出光孔半徑。RL與孔周長(zhǎng)成反比,而RV與孔的面積成反比。根據(jù)公式(1)可知,側(cè)面橫向電阻是導(dǎo)致VCSEL器件光電轉(zhuǎn)換效率下降的限制因素,而網(wǎng)狀電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)構(gòu)想可使兩項(xiàng)電阻都降低,這是因?yàn)槎嘈臼骄鶆蚍植嫉某龉饪紫喈?dāng)于多個(gè)均勻的小陣列,ra數(shù)值增大,整體出光孔周長(zhǎng)和面積也隨之增大,所以橫向電阻RL和垂直方向電阻RV的數(shù)值減少,最終使總的電阻RS減少。電光轉(zhuǎn)換效率(PCE)公式如下:η=P0P=P0I0V0=P0IV+I2RS(2)η=Ρ0Ρ=Ρ0Ι0V0=Ρ0ΙV+Ι2RS(2)式中,I0、V0分別為器件的工作電流與工作電壓,P0為輸出光功率,其中RS下降了,使作為分母的二者之和變小,結(jié)果使電光轉(zhuǎn)換效率η增大,圖4的實(shí)測(cè)結(jié)果與我們理論分析結(jié)果相一致。采用VCSEL光場(chǎng)特性檢測(cè)儀,對(duì)新型808nm網(wǎng)狀電極VCSEL的近、遠(yuǎn)場(chǎng)特性進(jìn)行測(cè)試,近、遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)光放大圖片如圖5所示。從近場(chǎng)發(fā)光圖片可以看出,新型結(jié)構(gòu)的發(fā)光情況明顯好于傳統(tǒng)環(huán)形電極結(jié)構(gòu)器件,中心出光孔和外環(huán)的各個(gè)小出光孔都完全發(fā)光,出光孔發(fā)光均勻,克服了原來(lái)發(fā)光區(qū)域不能有效發(fā)光或者不發(fā)光的現(xiàn)象,從整體上大大改善了大出光孔垂直腔面發(fā)射激光器的激光能量分布的均勻性。另外,新型結(jié)構(gòu)的雙環(huán)形電極可進(jìn)一步改善載流子的增益分布,緩解由于載流子聚集效應(yīng)而造成的大出光孔徑VCSEL出光孔外側(cè)電流過(guò)大,出光孔內(nèi)側(cè)電流注入不均勻的問(wèn)題,使“空間燒孔”現(xiàn)象能夠減到最小。圖6為新型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)VCSEL的遠(yuǎn)場(chǎng)分布圖。從圖中可知808nm網(wǎng)狀電極VCSEL的輸出光束在光傳播的軸向?qū)ΨQ均勻分布,光場(chǎng)中心強(qiáng)度較強(qiáng),呈現(xiàn)高斯分布,光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角不大于10°。3傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和新型金屬結(jié)構(gòu)的對(duì)比在理論分析的基礎(chǔ)上,我們研制出一種新型網(wǎng)狀電極結(jié)構(gòu)808nmVCSE