高功率垂直腔面发射激光器阵列热特性*

闫观鑫 郝永芹 张秋波

(长春理工大学,高功率半导体激光国家重点实验室,长春 130022)

为了改善垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列的热特性,提高器件的可靠性,本文基于有限元模型,研究了不同单元间距、排布方式对阵列器件的热串扰现象、热扩散性能的影响.在理论分析的基础上,制备了几种不同排布方式的VCSEL 阵列器件,并对其进行测试分析.结果显示,相较于正方形排布方式,新型排布方式器件具有更高的输出功率,同时阈值电流也有所降低.其中五边形排布方式的器件表现出最佳的性能,其输出功率高达150 mW,比正方形排布方式提高了约73%.这表明通过调整阵列单元的间距、排列方式,可以使各单元间的热串扰现象得到有效改善,降低器件的热效应,进而降低器件温度,提高输出特性.

1 引言

垂直腔面发射激光器(VCSEL)因具有低阈值电流、高光束质量、高调制速率、稳定的单纵模工作、易于制作密集二维阵列等显著优势,在激光泵浦、光存储、三维传感、光探测和激光雷达(LIDAR)等领域有广泛的应用[1-4].然而,VCSEL在工作时会产生大量的热,使得整个器件温度升高,影响激光器的性能[5,6],例如阈值电流升高、波长红移、输出光功率下降以及转换效率降低等.在阵列器件中,由于衬底的热导系数和氧化孔径较小,导致器件整体串联电阻较大,热效应严重[7].除此之外,相邻单元之间存在热串扰现象,严重影响了VCSEL 的性能.因此,研究VCSEL 的热问题具有重要的意义.

许多研究人员对此进行了大量的研究.对于单元VCSEL 器件,已经研究了焦耳热、热扩散和传导、非均匀导热系数和辐射特性的综合热电模型[8-10].对于VCSEL 阵列器件,Desgreys等[11]建立了光-电热耦合模型,分析了相邻阵列单元之间的热耦合效应对器件热特性的影响.Moench等[12]模拟了VCSEL 阵列中的热流,提出了一种细长的矩形VCSEL 阵列来实现更高功率,同时分析了氧化限制孔径、注入电流密度和衬底厚度对器件热性能的影响[13].另外,优化台面排布也被证明是一种有效改善热效应[14,15]的方法.本文通过优化VCSEL阵列单元间距和排布方式来调控台面之间热流密度的相互作用,从而调控温度分布,进而改善阵列器件的性能.

2 理论仿真

VCSEL 内部产生的热主要来自两部分,一是来自有源区中非辐射复合释放的热量以及光子被吸收时产生的热量,二是来自有源区两侧的分布式布拉格反射镜 (DBR),特别是P-DBR 产生的焦耳热.在阵列器件中,电流向横向分流会导致横向扩展效应[16,17],扩展效应会造成阵列单元间电流的叠加,从而使阵列器件的热效应更加剧烈,使阵列器件的输出性能大大降低.另外,单元间距过小导致的热耦合问题在单元器件排布过于密集的情况下十分严重.因此,我们利用ANSYS 对VCSEL 阵列的热特性进行模拟,分析不同单元间距及不同排布方式下的温度分布情况.由于VCSEL 阵列的结构较为复杂,我们对 VCSEL 的结构进行了适当的简化,主要包括铜热沉、焊料、欧姆接触层以及衬底层、N-DBR 层、有源层、P-DBR 层等,其中较薄的氧化层对热分析影响不大,可忽略不计.且模拟时,假定每层材料的热导率、热量传递都均匀.简化后VCSEL 结构如图1 所示,模拟中采用的外延片结构参数和热参数如表1 所示.

表1 模拟中采用的外延片结构参数和热参数Table 1.Structural and thermal parameters of epitaxial wafers used in simulation.

图1 简化后的VCSEL 结构图Fig.1.Simplified VCSEL structure.

以正方形排布为例,每个单元的台面直径为80 μm,比较了不同单元间距时阵列的热性能,如图2 所示.

图2 不同单元间距的正方形VCSEL 阵列的表面温度分布 (a) d=80 μm;(b) d=100 μm;(c) d=120 μm;(d) d=140 μmFig.2.Surface temperature distribution of square VCSEL arrays with different mesa spacings:(a) d=80 μm;(b) d=100 μm;(c) d=120 μm;(d) d=140 μm.

根据Amann 和Hofmann[18]建立的等台面间距VCSEL 阵列热模型可以得到等间距VCSEL 阵列的温度分布:

在该模型中,定义阵列近似为圆形,半径为R,阵列的间距为d,r为单元中心到阵列中心的距离,g为几何因子,λ 为均匀衬底的热导率,P为单元直径范围内热损耗功率.由(1)式可知增大台面间距时,单元之间的相互作用减弱,热串扰有所改善.从图2 可以看出,当间距较小时,各单元之间的热串扰现象明显.随着间距逐渐增大,热串扰有所改善,器件的热扩散性能有所增强,器件温度下降.图3 给出了VCSEL 阵列的最高温度与单元间距的关系曲线,可以看出器件的最高温度随着单元间距的增大呈指数衰减,这与Jin等[19]提出的2D VCSEL 阵列的紧凑电光热模型的结果一致.当间距大于120 μm 时,器件温度降低缓慢,继续增大单元间距对温度的改善效果越来越小,且过大的间距不利于获得小型高功率阵列.

图3 不同单元间距下VCSEL 阵列的最高温度Fig.3.Maximum temperature of VCSEL arrays under different mesa spacings.

此外,单元器件周围的单元数量也会影响热串扰,尤其是靠近中心的单元器件与周围单元相互作用更强,从而导致更强的热串扰.因此,除了调整单元间距还可以通过优化阵列排布在一定程度上改善热串扰,降低器件温度,提高器件性能.

考虑到优化VCSEL 单元在阵列中的排布,将任意两个单元间隔设置为离散,对(1)式进行离散化处理,得到优化后的阵列温度分布[20]:

其中 ΔTi(s) 与单元间距的倒数成正比.并引入热耦合因子Hc:

其中S是包括阵列中所有单元的区域面积,di是单元中心的间距.由(4)式可知通过调整单元排布,可以在平衡单元间距和单元总面积的同时,获得较小的热耦合因子,从而减小热串扰.以16 个单元为例,对不同排布方式进行模拟仿真,如图4 所示.

图4 不同排布方式VCSEL 阵列温度分布图 (a) 正方形;(b) 等边三角形;(c) 等腰三角形;(d) 五边形;(e) 环形Fig.4.Temperature distribution of VCSEL arrays with different arrangements:(a) Square;(b) equilateral triangle;(c) isosceles triangle;(d) pentagon;(e) circular.

目前对于VCSEL 阵列排布方式的研究多集中于等边三角形及环形排布方式[21,22],且相较于等边三角形,环形排布方式对于热性能的改善较为明显.从图4 可以看出,与正方形型排布方式相比,等边三角形排布热特性改善效果不显著,此时正方形排布的热耦合因子约为83232,等边三角形约为81636.而等腰三角形、五边形、环形这3 种排布方式热特性明显改善,热耦合因子Hc分别约为79560,75413,77220.尤其是五边形排布方式.每个单元器件的热串扰现象得到明显改善,使得中心区域与边缘区域温差较小,整个器件热耦合效应较均匀,器件温度较低,效果最佳.

3 器件制作

本文采用在同一芯片上、相同工艺条件下,制备了4 种不同排布方式的VCSEL 阵列器件.外延结构采用MOCVD 技术生长完成,其中量子阱由3 个Al0.3GaAs/Al0.6GaAs 构成,阱厚5 nm,垒厚8 nm.n 型DBR 由41 对掺杂了硅的Al0.9Ga0.1As/Al0.22Ga0.78As 交替生长而成.而p 型DBR 则由24对掺杂了铍的Al0.9Ga0.1As/Al0.22Ga0.78As 组成.高铝(Al0.98Ga0.02As)层,作为氧化限制层,位于p 型DBR 与有源区之间,并与有源区之间通过Al0.9Ga0.1As 过渡层相连,整个外延片PL 谱的峰值波长为785 nm.

器件的制备过程如下:首先以SiO2为掩膜,采用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀进行台面刻蚀以暴露富Al 层.然后,将外延片放置在氧化炉中通N2/H2O 进行氧化,以达到光电限制的目的,其中氧化温度为420 ℃,水汽温度为85 ℃.然后利用PECVD 在外延片上镀200 nm 的SiO2钝化层,经过多次套刻形成出光孔和电极窗口.在外延片上溅射Ti-Pt-Au 制作p 型电极,再次在外延片n 面进行减薄抛光,使外延片厚度降至150 μm 左右,以降低热效应,接着溅射Au-Ge-Ni 制作n 面电极.最后在420 ℃下快速热退火60 s 以降低接触电阻.

4 结果与分析

图5 展示了4 种不同排列方式的VCSEL 阵列的近场图.可观察到,这4 种排布方式的阵列器件均表现出良好的光输出效果,并且每个单元器件都能够成功激射.

图5 不同排布方式VCSEL 阵列器件的近场效果图 (a)正方形;(b) 等腰三角形;(c) 五边形;(d) 环形Fig.5.Near fields of VCSEL arrays with different arrangements:(a) Square;(b) isosceles triangle;(c) pentagon;(d) circular.

图6 为不同排布方式VCSEL 阵列的P-I-V特性曲线.可以看出,正方形阵列器件在工作电流0.8 A 时,器件的最大输出功率为87 mW;相较于正方形排布方式,新型排布方式的阈值电流均有所降低,最大输出功率均有所提高,分别为95,150,136 mW,其中五边形排布方式的输出功率最大,阈值电流最低,分别为150 mW 和60 mA.这是因为优化排布方式在一定程度上降低了器件的热串扰,提高了器件的热扩散性能,从而降低了器件的温度.从而减小了有源区域非辐射复合的发生概率,同时也提高了内部和外部的量子效率.进而降低了器件的阈值电流,增大了器件的输出功率.因此,VCSEL 阵列器件在光电特性和热特性方面都表现出良好的性能.实验结果表明优化的排布方式可以也使各单元间的热串扰现象得到有效改善,从而使器件的电光特性得到改善.

图6 不同排布方式VCSEL 阵列器件的P-I-V 曲线Fig.6.P-I-V curve of VCSEL array devices with different arrangements.

5 结论

在VCSEL 热特性理论分析的基础上,采用有限元分析的方法,研究了优化单元间距、排布方式对器件热串扰、热扩散性能的影响.结果表明,单元间距对阵列器件的热耦合有影响,且随着单元间距的增大,VCSEL 阵列器件热串扰现象和热扩散性能得到明显改善,最终确定合适的单元间距为120 μm;新型排布方式相对于正方形排布方式阵列器件的热串扰有明显改善,尤其是五边形排布方式,器件整体热串扰较小,单元器件受热较均匀,器件温度最低,效果最佳.在理论研究的基础上,利用相同工艺,在同一外延片制备出正方形排布方式和新型排布方式的VCSEL 阵列.测试结果显示新型排布方式相较于正方形排布方式器件的输出功率更高,阈值电流有所降低.其中五边形排布方式器件输出功率最高,为150 mW,比正方形排布提升了约73%,输出性能最好.研究表明,通过调整单元间距和排布方式,可以有效改善阵列的热性能,降低阈值,改善输出特性,从而使得VCSEL 阵列具有良好的光电性能.