808nm高功率网状电极vcsel的制备与性能研究

808nm高功率网状电极vcsel的制备与性能研究

0在激光导放和激光测距方面的应用进展垂直腔发射半音器（tcsel）具有电流低、效率高、功耗低、离散角小、易于光束耦合和其他光学元件集成的优点。广泛应用于军事、通信、数据存储、传感器、印刷等领域。国内外的研究工作主要集中在850nm、980nm和1300～1550nm长波长波段,808nm面发射大功率半导体激光器报道却很少。由于808nmVCSEL在电光效率、光束质量以及泵浦固体激光器的组态与耦合等方面的固有优势,成为泵浦Nd∶YVO4和Nd∶YAG等军品固体激光器的理想光源,使其在激光测距、激光制导、夜视等军事领域具有广阔的发展前景。目前,高功率VCSEL普遍采用的是N面底出光、P面加热沉的器件结构,这种结构可增大对VCSEL内部的主要焦耳热源-P型DBR的散热能力,在一定程度上可以弱化载流子的聚集效应,并不适合808nm波段VCSEL。为此,通常采用加大出光孔径的方法提高器件的输出功率,但是传统的环形电极结构如加大出光孔径会产生严重的载流子聚集效应,使注入到有源区的工作电流只是通过边缘环形区域很窄的通道,伴随的空间烧孔现象则需要注入更大的电流,从而引起有源区周围损耗区的光吸收增加和激射阈值增加,甚至造成部分器件无法激射,直观的表现为器件不发光或者发光很不均匀,激光输出的光束质量受到影响。我们通过理论分析,在传统环形结构的基础上设计出一种新型的网状电极结构,即将VCSELP面的环形注入电极通道改为P面的网状式注入电极通道,并利用相同的工艺条件制备出光孔径都为500μm的传统和新型两种不同结构的VCSEL,然后对其输出特性进行比较,结果表明新型结构相对传统结构输出光束的均匀性明显得到改善,整个发光区域都能够均匀发光,克服了传统结构发光不均匀或者不发光的现象,同时降低了阈值电流,输出功率也得到提高。1网状电极材料为了解决传统大出光孔径VCSEL的不均匀性问题,我们提出并设计了新型网状电极结构,将VCSELP面的注入电极由传统的环形电极改为网状电极并且热沉位于N面电极。图1为两种结构VCSEL的电极示意图。传统环形电极高功率VCSEL的电流由圆形电极注入,圆形电极与环形引导极间的环形沟槽充当氧化窗口;网状电极高功率VCSEL的电流直接由网状电极注入,网状电极区域同时也充当氧化窗口,其他弧形分布孔和圆心处充当出光孔,并且这些弧形孔均匀分布,相当于把传统的一个大出光孔分割成由若干同心环组成的网状结构,可以削弱载流子的聚集效应,增大器件的有效发光面积,提高器件的电光性能。图2为网状电极结构高功率VCSEL的截面图,可以看出:网状电极把一个大出光孔均匀分成12个弧形同心分布孔,每个出光孔的周围电极区域充当氧化窗口对出光孔进行光电限制,氧化孔的腐蚀深度以达到有源区为宜。P型电极下面采用高热导的新型AlN材料替代传统的SiO2作为VCSEL的钝化膜,同时优化器件的结构尺寸,提高器件的散热能力。新型网状电极的优势在于:(1)每个电流注入孔不仅是一个独立的电流注入区也是一个独立的发光区,相当于把传统结构的整体集中在中心电流注入区均匀分配给各个孔穴,因此注入载流子能够均匀分布,基本上消除了载流子聚集效应;(2)各个独立的尺寸很小的孔穴均匀分布在整个电流注入区内,整体结构上弱化了电流在大面积注入孔中产生的空间烧孔现象;(3)各个孔穴被沟槽和氧化限制区分隔,缓解了传统结构中出光孔发光不均匀或者不出光的现象,同时起到了散热的作用。我们采用在同一芯片上、同一工艺条件下,制备了出光孔外部直径完全相同的传统电极和网状电极两种高功率VCSEL器件。制备器件的外延片采用分子束外延技术(MBE)生长而成,其有源层包含3个GaAs-AlGaAs量子阱;由41对Al0.22Ga0.78As/GaAs组成的N-DBR;由22对Al0.22Ga0.78As/GaAs组成的P-DBR;为形成掩埋的AlGaAs/AlxOy结构,在P-DBR的第一对Al0.22Ga0.78As层中插入30nm的Al0.98Ga0.02As层,以便进行湿法氧化。整个外延片的厚度为650μm,反射谱的中心波长为808nm。在外延片的台面上按照图1所示的两种结构采用光刻与反应离子刻蚀技术刻蚀出氧化窗口,刻蚀深度为4.5μm。外延片置于氧化炉中通N2/H2O进行氧化,氧化温度420℃,氧化时间35min,以达到光电限制的目的。然后镀AlN钝化膜,以提高器件的热传导能力。经过三次套刻形成出光孔和电极窗口,溅射Ti-Pt-Au制作P型电极;利用超生波对芯片超生震动剥离掉P面出光孔的Ti-Pt-Au,露出出光窗口;大面积N面减薄并抛光,使芯片厚度达到170μm,然后蒸镀Au-Ge-Ni制作N面电极。最后将解理的管芯N面使用In焊料烧结在无氧铜热沉上,制成两种电极的高功率VCSEL单管器件。2nm网状电极vcsel器件的电化学特性在室温下利用半导体测试仪对传统环形电极结构和新型网状电极结构VCSEL连续工作状态下的伏安特性和光电特性进行测试,得到两种结构VCSEL的P-I-V关系曲线,如图3所示。从图3(a)的V-I特性曲线可以计算出传统环形电极结构VCSEL的微分电阻为0.6Ω,斜率效率为0.24mW/mA,而图3(b)新型网状电极结构VCSEL的微分电阻为0.3Ω,斜率效率为0.44mW/mA。从P-I特性曲线可以计算出传统环形电极结构的阈值电流为640mA,新型网状电极结构的阈值电流为430mA。传统环形电极结构VCSEL器件在1100mA时,即达到热拐点,最大输出功率仅为185mW,而新型网状电极结构VCSEL器件在驱动电流1300mA时,最大输出功率为420mW,是传统结构器件的2.27倍。可见,新型网状电极结构的器件与传统结构的器件相比,具有更好的光电特性。同时,我们根据已经测得的两种结构的P0、I0、V0的实验数据计算出它们的电光转换效率η并绘制出二者的变化曲线,如图4。从图4中可以看出新型网状电极结构VCSEL器件的电光转换效率明显高于传统环形电极结构VCSEL器件。新型网状电极结构VCSEL器件工作电流在1.2A时,其电光转换效率最大为21.7%,而传统环形电极结构VCSEL的电光转换效率最大为7.8%。这是因为顶部P-DBR反射镜结构的VCSEL器件的总电阻由横向电阻RL和垂直方向电阻RV组成,则器件的总电阻RS表示为RS=RL+RV=ρinf2πra+ρ0πr2a(1)RS=RL+RV=ρinf2πra+ρ0πra2(1)式中,ρinf和ρ0为特征电阻系数,ra为出光孔半径。RL与孔周长成反比,而RV与孔的面积成反比。根据公式(1)可知,侧面横向电阻是导致VCSEL器件光电转换效率下降的限制因素,而网状电极结构的设计构想可使两项电阻都降低,这是因为多芯式均匀分布的出光孔相当于多个均匀的小阵列,ra数值增大,整体出光孔周长和面积也随之增大,所以横向电阻RL和垂直方向电阻RV的数值减少,最终使总的电阻RS减少。电光转换效率(PCE)公式如下:η=P0P=P0I0V0=P0IV+I2RS(2)η=Ρ0Ρ=Ρ0Ι0V0=Ρ0ΙV+Ι2RS(2)式中,I0、V0分别为器件的工作电流与工作电压,P0为输出光功率,其中RS下降了,使作为分母的二者之和变小,结果使电光转换效率η增大,图4的实测结果与我们理论分析结果相一致。采用VCSEL光场特性检测仪,对新型808nm网状电极VCSEL的近、远场特性进行测试,近、远场发光放大图片如图5所示。从近场发光图片可以看出,新型结构的发光情况明显好于传统环形电极结构器件,中心出光孔和外环的各个小出光孔都完全发光,出光孔发光均匀,克服了原来发光区域不能有效发光或者不发光的现象,从整体上大大改善了大出光孔垂直腔面发射激光器的激光能量分布的均匀性。另外,新型结构的双环形电极可进一步改善载流子的增益分布,缓解由于载流子聚集效应而造成的大出光孔径VCSEL出光孔外侧电流过大,出光孔内侧电流注入不均匀的问题,使“空间烧孔”现象能够减到最小。图6为新型网状结构VCSEL的远场分布图。从图中可知808nm网状电极VCSEL的输出光束在光传播的轴向对称均匀分布,光场中心强度较强,呈现高斯分布,光束远场发散角不大于10°。3传统结构和新型金属结构的对比在理论分析的基础上,我们研制出一种新型网状电极结构808nmVCSE