VCSEL激光器原理,结构,工艺与热计算(汇总长篇)

秦岭农民 2021-04-21 00:00

1 VCSEL 原理

VCSEL(Vertical cavity surfaceemitting laser)垂直腔面发射激光器,从垂直于衬底面射出激光的半导体激光器件。根据其有源层的不同,可分为三种结构

  1. 所示的激光器采用45°倾斜反射镜结构,其反射特性完全依赖于内部反射镜的倾角和平整度,工艺制作困难,且存在光束畸变问题。

  2. 采用高阶耦合光栅结构,其原理将在后面介绍。可以获得发散角小的窄细光束,但其反射光的大部分进入了衬底,使效率大幅降低,而且激光束的发散角度随波长变化而变化。

  3. 为有源区直径及腔长为微米量级的微腔结构,容易实现低阈值,具有较高的微分量子效率,所以是垂直腔面发射激光器中最理想的结构。

1.1 水平腔面激光器(HCSEL)

a)和b)结构为水平谐振腔发光利用反射镜或者二阶光栅实现了垂直发射。对于二阶光栅结构激光器提供光学反馈的部分不是传统FP激光器中的端面反射镜,而是使用谐振腔内部包含的分布反馈布拉格光栅。分布反馈式布拉格光栅中的布拉格定律可以推导如下

如图,假设平面波以角入射,为反射角。光栅常数为d,入射光分别在A点和D点反射。可以得到光程差为|AC-BD|。如果两束光以相同相位达到同一点,则会产生干涉相长,这种情况下光程差必须为波长的整数倍

(2)和(3)带入(1)所以得到光栅方程

其中绝对值内符号当衍射光线和入射光线在法线两边时取负号,在同一边时取正好。n 为有效折射率。

  时,(4)式子为

如上图2入射光方向,衍射和反射发生在法线两边,则当,衍射光为零度方向,衍射光与入射光方向相反。所以存在衍射光垂直与腔长方向的衍射光。

1.2 VCSEL结构

图4 VCSEL激光器结构

如图4,该结构由镜面,有源层和金属接触层组成,2个反射镜分别为N型和P型DBR堆成的布拉格反射光栅。有源层由1~3个量子阱组成。有源区的两侧是限制层,一方面起限制载流子的作用,另一方面调节谐振腔的长度,使其谐振波长正好是所需要的激光波长。在衬底和P型DBR的外表面制作金属接触层,形成欧姆接触,并在P型DBR上制成一个圆形光窗口,输出圆形的激光束。

典型的氧化限制型VCSEL结构剖面如图5所示,最上方为环型电极。向下依次为欧姆接触层,上DBR,氧化限制层,量子阱有源区,下DBR,衬底及下电极。由构成氧化限制层。电流从正电极注入,通过氧化孔径注入到有源区,满足受激辐射的条件后,产生光增益,产生的光子经过上下DBR反射,并在上下DBR形成的谐振腔种形成稳定的驻波,使受激辐射不断增强,激射光从反射率较小的DBR出射,稳定输出光波。通常VCSEL 的DBR反射率接近100%,上DBR反射率相对较低。

图5 四种常见的VCSEL结构:(a)空气柱型,(b)氧化限制型,(c)质子注入型(d)掩埋异质结型

氧化物限制结构的意义在于:能较好的控制出光孔的面积和芯片尺寸,提高器件效率,并能很好的与光纤进行耦合。而且采用氧化物限制结构可以使器件阈值电流降至几百uA,这样要想达到1mW的输出功率需要几个mA的驱动电流。利用氧化物限制结构形成对电流和光场的限制,大大提高了器件的功率,同时又降低了器件的阈值电流,通过采用氧化物限制结构可以有效的控制在单芯片上制作大型,密集型VCSEL阵列工作时过热的现象。除低阈值,高效率外,氧化物限制型结构取得成功的另一个因素是均匀性好。


1.3 VCSEL制作工艺

一个完整的VCSEL器件制作工艺流程主要是:材料外延生长→外延结构的表征(如X射线衍射,反射谱,霍尔测量,电化学C-V特性等)→器件工艺(包括外延片清洗,光刻,刻蚀,氧化,绝缘膜沉积,光学镀膜,合金化,剥离,减薄等)→后端工艺(包括引线键合,划片,裂片,封装等)→器件特性测试(包括I-V 特性,I-P特性,发射光谱,温度特性等)

1.4 VCSEL材料

VCSEL的材料可分为两部分:一是有源区的材料体系,二是DBR的材料体系。表1 是目前VCSEL中被广泛应用的DBR材料,根据器件所需的不同波长选取不同的材料体系,其选择的依据是形成具有高折射率差,高热导率,低的光学吸收率,低的电阻,并且晶格适配和热适配小的DBR膜。

表1 常用的DBR材料体系

表2 常用的有源区材料体系

料的生长是通过外延技术来实现的,外延生长是指在衬底上生长与其材料相同或有相近晶学趋向的薄层单晶的生长过程。外延生长作为半导体激光器制作过程中的核心步骤。目前常用的外延生长工艺方法有液相外延法(LEP),金属有机化学气相沉积(MOCVD),分子束外延法(MBE),化学束外延法(CBE)等,这些方法分别有着各自不同的优缺点和适用范围,根据不同的材料生长可选择不同的方法。


2 DBR(DistributedBragg Reflector)分布布拉格反射镜

2.1 等倾干涉

如图6由光源发出的一簇平行光线经平行板反射后,都汇聚在无穷远处,或者通过图示的透镜会聚在焦平面上,产生等倾干涉。

图6 平行板干涉的光程示意图

由图示光路可见,该光程差为


式中分别为平板折射率和周围介质的折射率,N是由C点向AD所引垂线的垂足,自N点和C点到透镜焦平面P点的光程相等。平板厚度为h,入射角和折射角分别为,则由集合关系有


再利用折射定律


可得到光程差为

进一步,由于平板两侧的折射率与平板折射率不同,无论是还是,从平板两表面反射的两支光中总有一支发生“半波损失”。所以,上面得到的光程差还应加上附加光程差,故


如果平板两侧的介质折射率不同,并且平板折射率的大小介于两种介质折射率之间,则两支反射光间无“半波损失”贡献,此时的光程差仍采用公式(11)。由此可以得到焦平面上的光强分布为两束光干涉

式中,分别为两支反射光的强度。为波矢。显然,形成亮暗干涉条纹的位置,有下述条件决定:

相应光程差

2.2平行板多光束干涉

图7 在透镜焦平面上产生多光束干涉

如上图7,在计算干涉场上任一点P(在透射方向相应点)的光强度。与P 点(和)对应的多光束的入射角为,它们在平行板内的折射角为,因而相继两束光的光程差为

相位差

式中是平板的光学厚度,为真空中的波长。假设光束从周围介质射入平板内时,反射系数为,透射系数为r,从平板射出时相应的系数为,并设入射光的振幅为,则从平板反射出来的各光束的振幅依次为

从平板透射出来的各光束的振幅依次为

因此,可以把所有的反射光束在P点的场分别写为

为初始相位常数。当弃去共同的因子后,P点和成场的振幅为

利用

根据菲涅耳公式可以证明: 

由平板表面反射系数,透射系数与反射率,透射率的关系,所以

由此得到反射光在P点的光强度为

式中,是入射光的强度。

同样的方法可以得到透射光强度为

(21)和(22)既是反射光干涉场和透射光干涉场的强度分布公式,通常也称为爱里公式。

2.3 单层反射膜

图8单层膜的反射和透射

如上图8所示,设薄膜的厚度为h,折射率为n,薄膜两边的空气和基片的折射率分别为。并设光从空气进入薄膜时在界面上的反射系数和透射系数分别为,而从薄膜进入空气时反射系数和透射系数分别为,光从薄膜进入基片时在界面上的反射系数和透射系数分别为。注意到

,则按照上面的计算方法可以得到薄膜上反射光的复振幅为

透射光的复振幅为

式中,是入射光振幅,是相继两光束由光程差所引起的相位差

是光束在薄膜中的入射角。因此由(23)和(24)可得到薄膜的反射系数为

透射系数为

反射率


透射率

当光束正入射到薄膜上时,在薄膜两表面上的反射系数分别为

把 (30)带入到(28),即可以得到正入射情况下,以折射率和两相继光束位相差     表示的薄膜的反射率公式


 当单层膜的光学厚度引起的部分外,还有由于两表面反射时的位相变化不同引起的附加光程,所以总光程差为,反射光干涉增强,反射率最大值。由此求出这时膜系对波长的反射率为

上式表明,所选用的单层膜的折射率越高,膜系的反射率越高

图9单层膜的反射率与膜层折射率关系

2.4 多层反射膜

多层高反射膜是一种由光学厚度均为的高折射率层和低折射率层交替叠成的膜系,这种膜系称为膜系,通常用下列符号表示:

其中,G和A分别代表基层和空气,H和L分别代表高折射率和低折射率层,                             是膜层数。当膜层两侧介质的折射率大于或小于膜层的折射率时,若膜层的诸反射光束中相继两光束的位相差等于(光程差等于),则该波长的反射光获得最强烈的反射。

图10多层                             膜系

图10所示的膜系正好是使它包含的每一层膜满足上述反射增强条件,所以入射光在每一膜层上都获得强烈的反射,经过若干层的反射之后,入射光就几乎全部被反射回去。

一般情况下,这种膜系反射率的计算可以利用上述的递推公式由计算机软件完成。对于正入射和仅考察波长的情况,反射率的表达式有较简单的形式,由递推法不难求出这种情况下的反射率为

式中,分别为低折射率和高折射率。相差越大,膜层数越多,膜系的反射率就越高。取得到如下膜层数与反射率的关系。可以看到随着膜层数的增加反射增大。当膜层为30层时,得到的反射率为97.97%。

图11典型VCSELDBR膜层

迄今为止,基于发光二极管应用的DBR材料体系主要包括  

DBR、 DBR 和DBR 等。其中,DBR和DBR主要应用于可见光 LED和红外光 LED,而DBR主要应用于GaN基LED器件。

由于材料的晶格常数5.6533×10-10m5.65×10-10m相匹配,材料的DBR结构主要包括

等组合。其中DBR有较大的材料折射率差,用较少材料层就能使DBR有很高的光谱反射率。

图12 激光器DBR反射谱

3 VCSEL工艺

主要为外延层生长和器件芯片制作两个。外延生长采用MOCVD沉积工艺完成整个晶圆的生长。这里我们主要看一下器件芯片工艺

4 VCSEL 热效应

4.1 器件生热

VCSEL工作时,内部会产生热量。与EEL不同的热效应产生机理主要位于其有源区两侧的分布布拉格反射镜产生的热量。其中由于电子的迁移率比空穴的迁移率大得多,n-DBR的串联电阻小,电流分布分散,电流密度小,发热比上P-DBR要小得多,所以认为P-DBR产生的热是影响VCSEL最主要的热源。

VCSEL主要包括以下两个热源:

1 有源区内部载流子复合生热

2 器件内阻产生焦耳热

当注入电流经过有源区时,有源区内电子与空穴因非辐射复合而产生热量,而且在光子的衍射和散射,以及自由载流子吸收等。

第一部分有源区内部载流子复合生热如下

VCSEL有源区是由单个量子阱或者多个量子阱材料而构成,产生热量可写成下式

上式中,是有源区的厚度,fsp是自发辐射的光子从增益区的逃逸因子,为自发辐射和受激辐射量子效率,为有源区阈值电流密度。表示整个有源区的电压降。如下表示

上式中,js表示PN结上的反向饱和电流密度。在计算有源区发热的时候,要考虑

与温度得关系。

第二部分器件内阻产生焦耳热功率

其中是流过有源区的总电流,R是p-DBR的电阻。量子阱外面还有上下阻挡层和限制层的发热,也和质子轰击区的发热一样用

是器件的电流密度,表示氧化层p-DBR的电阻率。如下表3 典型激光器Spec参数

表3 典型激光器Spec参数

其中工作偏置电压  ,工作偏置电流。激光器工作时的功耗为


差分电阻Differential resistance定义为从半导体激光器正极到负极之间的电阻,通常主要包括半导体材料的体电阻和欧姆接触电阻等,通常计算是在阈值电流以上,在激光器的电压(V-电流(I)特性曲线上,电压的变化△V与产生电压变化对应的输入电流变化△I的比值。。工作时激光器电阻为。输出光功率为2.7W

产生的热功率为

对于上面的VCSEL阵列芯片,发光单元尺寸约为20um~30um,我们取25um,共有365个发光单元。总发光区域尺寸为  注入工作电流密度为

自发辐射量子效率,内量子效率,逃逸系数,有源区厚度为 。单位体积热功率为

产生热功率

所以产生的焦耳热为

占器件总热的76%,总功率的51%。焦耳热主要产生在接触电极的接触电阻和p-DBR电阻。器件的热瓶颈在欧姆电阻的生热。p-DBR电阻可以通过重参杂降低,但是重参杂又导致载流子有效复合效率降低。

5 VCSEL 热模型与生热计算

VCSEL单发光单元的结构模型如下图12。

单发光点VCSEL模型结构尺寸

上电极为 0.2um Au 下电极为0.3um Au。对应各层的参数如下表4,单芯片焊接在AlN陶瓷表面。

发热源来自有源区和P-DBR,从上面的理论计算。对于总体阵列激光器有365个发光单元每个发光单元的热功率为

P-DBR部分生热为

功率密度为

有源区部分生热为

功率密度为

上面计算都是在占空比为10%,工作频率为1000Hz,热沉温度为50℃情况下的峰值光功率与生热功率。脉宽为100us。

设在试用过程中有源区在发光脉冲为1us,峰值功率还是2.7W。在1us内并不能快速的将热全部导出,则1us内的全部生热用来升高有源区的温度,那么有源区的温度可以根据有源区的体积和热容计算得到

芯片有源区温度实际已经达到了111.8K

在仿真时可以将P-DBR和有源区合并在一起为一个发热源,发热功率密度为

的发热主要还是从芯片通过热传导到热沉上把热量导出。所以按照3倍传热面积计算向下的热阻为

总热阻为

温升为



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