高功率垂直腔面發(fā)射激光器的設(shè)計及制備.pdf

1、垂直腔面發(fā)射激光器(VCSELs)自問世以來，成為許多應(yīng)用領(lǐng)域特別誘人的光源，如在光通信，光計算，光互聯(lián)，激光打印及光存儲等方面。VCSELs的主要優(yōu)點是其低成本的制作與封裝，低驅(qū)動電流，低發(fā)散角的圓形光束及可實現(xiàn)一維(1D)、二維(2D)高密度集成。近幾年來，性能優(yōu)異的氧化物限制型VCSELs不斷被報道，主要涉及其低閾值電流，高輸出功率，高電光轉(zhuǎn)換效率，低工作電壓，高調(diào)制帶寬和高產(chǎn)額。本文主要開展了關(guān)于高功率垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的

2、設(shè)計及其關(guān)鍵技術(shù)的研究工作，具體體現(xiàn)在以下幾方面內(nèi)容： 1．優(yōu)化設(shè)計分布布拉格反射鏡(DBR)，測試結(jié)果表明這種DBR反射鏡在保持很高的峰值反射率的同時其串聯(lián)電阻也很小，使VCSEL中這一主要熱源產(chǎn)生的焦耳熱大大減少。 2．優(yōu)化設(shè)計有源區(qū)及光腔，增加載流子注入到量子阱中的效率，減少側(cè)向電流泄漏和光散射損耗，使有源區(qū)對激射模式提供較大的光增益效率。 3．優(yōu)化設(shè)計高Al組分的Al<,x>Ga<,1-x>As氧化物限制

3、層，綜合考慮了氧化層的厚度和位置對激射模式的影響以及高鋁Al<,x>Ga<,1-x>As氧化后體積收縮產(chǎn)生應(yīng)力的作用等因素，我們將氧化物限制層的位置進(jìn)行了調(diào)整，在有源區(qū)外生長3對DBR后再加入氧化物限制層，有效抑制了氧化模式并緩解了氧化層的應(yīng)力對有源區(qū)的影響，同時因氧化層放在腔內(nèi)光場駐波波腹位置，可以降低衍射損耗和閾值電流。 4．優(yōu)化設(shè)計氧化孔徑和外部臺面的尺寸及它們的比，獲得最佳的散熱結(jié)構(gòu)。 5．深入研究選擇性氧化技術(shù)

4、，提出采用環(huán)形分布孔取代環(huán)形溝槽作為氧化窗口的方案。環(huán)形分布孔為電注入提供了便捷的橋接通道，很好的解決了電極過溝時易斷線問題，器件也表現(xiàn)了良好的輸出特性。測試結(jié)果表明：不僅環(huán)形分布孔結(jié)構(gòu)器件的輸出功率比環(huán)形溝槽的提高了0.34倍，且兩種結(jié)構(gòu)的閡值電流幾乎相同，約為1.6mA，這說明環(huán)形分布孔結(jié)構(gòu)對電流的限制作用并未減弱。 6．研究了垂直腔面發(fā)射激光器制作中的選擇性氧化工藝，針對氧化溫度，載氣N<,2>的流量及臺面結(jié)構(gòu)幾何形狀對氧

5、化特性的影響進(jìn)行了詳細(xì)討論，得到與以往文獻(xiàn)報道不同的選擇性氧化規(guī)律．溫度低于435℃時，Al<,.98>Ga<,00.2>As的選擇性氧化遵循線性生長規(guī)律，這對于我們在VCSEL中采用的兩種臺面結(jié)構(gòu)都是如此．溫度高于435℃時，由于此時受到臺面結(jié)構(gòu)幾何形狀的影響，氧化生長表現(xiàn)為時間的近拋物線型的遞增函數(shù)．針對兩種臺面結(jié)構(gòu)在初始氧化階段的細(xì)微差別進(jìn)行了定性的分析，并證明了臺面結(jié)構(gòu)的幾何形狀確實對高溫下氧化生長速率有影響。 7．通過

6、對器件結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計及制備技術(shù)的改進(jìn)，所研制的器件在性能方面得到了很大提高。兩種結(jié)構(gòu)VCSELs在20-80℃溫度范圍內(nèi)所測的P-I特性曲線的結(jié)果說明：優(yōu)化設(shè)計的器件具有更好的溫度特性，在60℃，最大輸出光功率也可達(dá)到6mW。 8．研究VCSEL的陣列技術(shù)，改善陣列器件中各單元電光特性的均勻性及熱性能。3x3陣列器件的各單元發(fā)光均勻，閾值電流不大于50mA，輸出功率不小于35mW。 9．在分析高功率大出光孔VCSEL