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一文看懂半導(dǎo)體激光器VCSEL

TOF系統(tǒng) 第五章 VCSEL

VCSEL：Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，垂直腔面發(fā)射激光器

優(yōu)點：低閾值電流、窄發(fā)射光譜寬度、易于制造陣列、可實現(xiàn)高密度集成

VCSEL的結(jié)構(gòu)

????????VCSEL的基本模型和典型激光器沒有區(qū)別，只是制造方式不同。

? ? ? ? 諧振腔：由兩個分布式布拉格反射器（distributed Bragg reflector，DBR）構(gòu)成。DBR是由高、低折射率介質(zhì)材料交替生長成的，每層都是發(fā)射激光的四分之一波長，作用是篩選出特定波長的“純凈”光。常見的VCSEL中，上下兩層DBR結(jié)構(gòu)會被注入p型和n型材料，形成半導(dǎo)體pn結(jié)，這樣電流就可以流過。

? ? ? ?活性層 (有源區(qū))： 產(chǎn)生激光的關(guān)鍵區(qū)域，位于兩個DBR鏡之間，包含一個或多個量子阱結(jié)構(gòu)。量子阱是由兩種不同帶隙的半導(dǎo)體材料組成的薄層，能夠使電子和空穴在其中復(fù)合并發(fā)射光子，主要由銦鎵砷（InGaAs）和鋁鎵砷（AlGaAs）組成，常見的是3~5層。

? ? ? ? 金屬電極：位于頂部DBR之上和底部DBR之下，通常是一個金屬層，與外部電路相連，用于提供電流路徑。頂部金屬層中間紅色是出光位置，下層金屬電極也可以作為反射鏡增加出光效率。

? ? ? ? 襯底：VCSEL通常生長在一塊半導(dǎo)體襯底上，如GaAs（砷化鎵），這是整個結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)

????????VCSEL可以設(shè)計成上表面出光或者下表面出光，上表面出光的VCSEL的底部還需要一層襯底。一般的GaAs襯底對800nm附近波長的光有強(qiáng)吸收，所以在這個波段的VCSEL器件一般采用頂發(fā)射結(jié)構(gòu)。

VCSEL的工作原理

激光的三要素：

激活介質(zhì)：激光器中產(chǎn)生光放大的物質(zhì)基礎(chǔ)；

泵浦源：為激活介質(zhì)提供初始能量；

諧振腔：一組反射鏡或其他反射結(jié)構(gòu)，形成了一個封閉的光路，作用是讓光子在激活介質(zhì)中多次往返，每次通過激活介質(zhì)時都會發(fā)生光放大的過程，直到光子的能量足夠強(qiáng)以克服諧振腔的損失并發(fā)射出去。

VCSEL的工作步驟

1、電流注入（泵浦源）：外加電壓施加到VCSEL時，電流從頂部電極流入并通過頂部DBR（分布布拉格反射器）到達(dá)有源區(qū)。

2、電子空穴復(fù)合：當(dāng)電流通過半導(dǎo)體材料時，電子從價帶被激發(fā)到導(dǎo)帶，而空穴則留在價帶，并使得電子的數(shù)量超過空穴的數(shù)量（粒子數(shù)反轉(zhuǎn)）。當(dāng)電子和空穴在量子阱(激活介質(zhì))中復(fù)合時，電子從導(dǎo)帶躍遷回價帶，并與空穴復(fù)合。這一過程釋放出能量，以光子的形式發(fā)出。光子的能量取決于電子從導(dǎo)帶躍遷到價帶時所跨越的能隙大小。

3、光子在諧振腔內(nèi)的放大：光子在頂部DBR和底部DBR(光學(xué)諧振腔)之間往返反射，光子每次穿過有源區(qū)時都會被進(jìn)一步放大，因為會有更多的電子和空穴復(fù)合產(chǎn)生新的光子。

4、達(dá)到激光閾值：當(dāng)光子的能量足夠強(qiáng)以克服諧振腔中的損耗，達(dá)到某個臨界值時。

5、激光發(fā)射：一部分光子從頂部DBR發(fā)射出來，形成激光束。

VCSEL 作為一種半導(dǎo)體激光器，形成激光發(fā)光需要完成能量激發(fā)和共振放大兩個步驟。首先要實現(xiàn)能量激發(fā)，通過外加能量（光能或電能）激發(fā)半導(dǎo)體的電子由價帶跳到導(dǎo)帶，當(dāng)電子由導(dǎo)帶跳回價帶時，將能量以光能的形式釋放出來。然后在發(fā)光區(qū)外加一對激光腔鏡，使光束在左右兩片鏡片之間反復(fù)來回反射，不停地通過發(fā)光區(qū)吸收光能，最后產(chǎn)生諧振效應(yīng)，使光的能量放大最終形成激光。

VCSEL與EEL

VCSEL LED light-emitting diode EEL edge-emitting laser 發(fā)光垂直方向垂直方向側(cè)面測試片上測試片上測試Wafer切開后測試封裝簡單簡單復(fù)雜成本中低高光強(qiáng) 較弱，max=10W 陣列形式提供高光強(qiáng) 較弱，max=4.5W 陣列形式提供高光強(qiáng) 最強(qiáng)，max=120W光譜 較窄 受激發(fā)光，屬于激光 較寬 發(fā)光半導(dǎo)體 較窄 受激發(fā)光，屬于激光 光束 小發(fā)散角， 圓形光斑 大發(fā)散角 Lambertian 輻射強(qiáng)度隨角度變化 中等 橢圓形光斑， 需要光束整形 調(diào)制速度快，10Gbps較慢，0.1Gbps快，1Gbps轉(zhuǎn)換效率較高，30~60%較低，10~30%，50~60%

VCSEL制造工藝

? 1. 外延生長 在GaAs（砷化鎵）襯底上，通過分子束外延生長由 多個周期的AlGaAs(砷化鋁鎵)/GaAs層堆疊在一起的 AlGaAs/GaAs系DBR（分布反射型Distributed Bragg Reflector）。 ? 2. Patterning＆Mask形成 為了將外延層做成被稱為 Mesa 的圓柱形，制作一個掩模圖案。 ? 3. Mesa加工 用干法蝕刻進(jìn)行Mesa加工。 ? 4. 氧化狹窄＆保護(hù)膜形成 活性層附近設(shè)計的特定AlGaAs層通過濕法氧化而氧化狹窄 （氧化狹窄層作為電流和光的封閉結(jié)構(gòu)， 成為影響VCSEL特性的非常重要的層）。另外，沉積Mesa側(cè)壁保護(hù)膜。 5. 電極形成 n型、p型電極形成。

VCSEL關(guān)鍵參數(shù)

波長特性（波長，光譜寬度，溫度特性）

VCSEL的光譜特性由其量子阱中增益介質(zhì)和DBR的設(shè)計決定。常見的VCSEL波長為650nm-1080nm，1550nm等，以紅外應(yīng)用為主，最新的研究可以實現(xiàn)280-320 nm的紫外VCSEL。對于有多個發(fā)光點的VCSEL陣列，由于制程誤差，每個VCSEL的波長會略有偏移，整體展示出一個相對較寬的整體光譜，單個VCSEL Mesa的光譜寬度一般小于1nm。VCSEL波長對于溫度十分穩(wěn)定，為~0.06nm/K的數(shù)量級。

光束質(zhì)量（模式，發(fā)散角）

VCSEL中的氧化限制層在DBR中制造了一個波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，VCSEL的橫模類似于光纖中的弱波導(dǎo)模式。對于足夠小的氧化限制孔徑，只有基礎(chǔ)模式LP01可以存在，擴(kuò)大孔徑會讓更多的模式射出。VCSEL整體發(fā)出的光是由多個模式組成的，每個模式都有自己的發(fā)散角?；A(chǔ)模式LP01在遠(yuǎn)場是高斯光束，高階模式發(fā)散角更大，光束質(zhì)量也更差。

輸出功率和轉(zhuǎn)換效率

根據(jù)應(yīng)用需求的不同，VCSEL功率從mW到W級別。工作電流和孔徑的大小都影響其輸出功率。功率會隨著電流增大而增大，達(dá)到一個峰值然后下降，如下左圖所示，展示了直流情況下電流和功率的關(guān)系。這種現(xiàn)象的原因是半導(dǎo)體結(jié)內(nèi)的溫度上升導(dǎo)致的，被稱為“thermal rollover”?？梢酝ㄟ^使用脈沖模式來實現(xiàn)更高的峰值功率，如下右圖所示，展示了1%duty cyle， 50ns pulse width，不同溫度下的峰值功率。

一般來說，單獨的Mesa用大孔徑會實現(xiàn)更大的功率。小孔徑的VCSEL較小的電流密度限制了一個VCSEL可以實現(xiàn)的最大Wall Plug Efficiency (WPE)。但是由于VCSEL孔徑的大小和DBR厚度比例的限制，出現(xiàn)最大WPE的孔徑為某個值，然后WPE開始下降。假設(shè)這個值為8um左右，隨著aperture變大，其中的電流分布就開始不均勻，影響了其WPE。為了實現(xiàn)高功率，如果要做一個VCSEL陣列，可能會選擇使用10-12um的孔徑，并制造成陣列。這種方式很好的平衡了最大的功率需求和電光轉(zhuǎn)換效率，以及光束質(zhì)量。下圖展示了VCSEL的電光轉(zhuǎn)換效率，孔徑和溫度的關(guān)系。

VCSEL設(shè)計中還有很多其他需要考量的因素，包括其閾值電流，電阻，上升沿下降沿時間，工作溫度范圍，效率等?？梢钥吹胶芏鄥?shù)之間是相互影響，需要在設(shè)計中進(jìn)行取舍和平衡。

信賴性

由于VCSEL是一種千層餅式的激光結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的每層都是不同物質(zhì)，同時每層都很薄，所以這種結(jié)構(gòu)很容易收到各種影響，其中包括水汽，應(yīng)力和熱等。絕緣保護(hù)制程可以很好的增強(qiáng)防水氧侵襲，良好的封裝散熱也很重要，制造的參數(shù)控制也對應(yīng)力很有幫助（比如會有退火的流程）。

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