摘要
在激光雷達(dá)應(yīng)用領(lǐng)域，高功率密度垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）越來越受到關(guān)注。多結(jié)VCSEL是獲得高功率密度的關(guān)鍵技術(shù)。為了得到高性能多結(jié)VCSEL陣列，高斜率效率、高填充因子和小發(fā)散角是主要的研究方向。我們優(yōu)化了外延設(shè)計和流片工藝，如隧道結(jié)、氧化層和陣列布局。本文報道了激射波長在940nm附近的高性能多結(jié)VCSEL陣列。作為激光雷達(dá)應(yīng)用的基本光源，選擇性氧化的正面發(fā)射VCSEL陣列已實現(xiàn)，其具有59.7%的光電轉(zhuǎn)換效率和8.3W/A的斜率效率。加工后的VCSEL陣列器件的發(fā)光面積為234* 250um2，15A峰值電流，10KHz 10ns（半峰寬）的脈寬測試條件下，功率密度大于1800W/mm2。發(fā)散角小于21度（1/e2）。
關(guān)鍵詞: 激光雷達(dá)，垂直腔面發(fā)射激光器陣列，多結(jié)，高功率密度，小發(fā)散角
01 背景介紹
近年來，隨著激光雷達(dá)（LiDAR）技術(shù)的發(fā)展，VCSEL陣列光源，由于其低制造成本、小溫漂系數(shù)、易于二維集成的優(yōu)勢，越來越受到激光雷達(dá)應(yīng)用市場的關(guān)注。首先，使用特殊的結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計，VCSEL陣列可以實現(xiàn)更高的功率密度和更低的發(fā)散角，以滿足激光雷達(dá)長距離應(yīng)用的發(fā)展需求，利用多結(jié)VCSEL技術(shù)是產(chǎn)品實現(xiàn)更高效率、更高功率密度的關(guān)鍵。其次，使用特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，如優(yōu)化氧化層的位置、厚度、Al組分，發(fā)散角性能可以進(jìn)一步優(yōu)化。最后，更高的填充因子意味著更小的芯粒面積，也有利于更高的輸出功率密度。考慮到納秒級的短脈沖測試條件，VCSEL陣列的熱積累可以忽略。大的氧化孔徑和小的周期尺寸也可以用于提高填充因子。
本文中，通過優(yōu)化外延結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝的VCSEL陣列可以實現(xiàn)高功率密度和低發(fā)散角。在晶圓級100Hz 10us的寬脈沖測試條件下，VCSEL陣列的能量轉(zhuǎn)換效率峰值高達(dá)59.7%，斜率效率高達(dá)8.3W/A。另外，在器件級10KHz 10ns短脈沖測試條件下，VCSEL陣列可以實現(xiàn)高于110W的峰值功率輸出，對應(yīng)的功率密度高于1800W/mm2，發(fā)散角達(dá)到21°。
02 高光束質(zhì)量的多結(jié)VCSEL陣列設(shè)計
2.1 應(yīng)用需求
激光雷達(dá)是一種利用激光成像技術(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)距離量測的技術(shù)，被認(rèn)為是智能駕駛、3D傳感等領(lǐng)域最重要的探測技術(shù)之一。隨著探測距離的增加，點云（Point Cloud）密度隨之降低，分辨率也會受到限制。為了實現(xiàn)遠(yuǎn)距離3D掃屏的重建，就需要具有更高功率密度、更低發(fā)散角的高質(zhì)量激光光束。
設(shè)計理念如圖1所示。使用納秒級短脈沖測試，具有小發(fā)散角的多結(jié)VCSEL陣列為激光雷達(dá)的應(yīng)用提供了一個極佳的平臺。基于此理念，我們設(shè)計并制造了世界領(lǐng)先的多結(jié)VCSEL陣列（5/6/8結(jié)），并利用特殊的氧化層和填充因子設(shè)計來實現(xiàn)更高功率密度和更低的發(fā)散角性能。
圖 1. 激光雷達(dá)光源探測示意圖，左為常規(guī)，右為更高功率密度、更小發(fā)散角優(yōu)化結(jié)果。
2.2 器件光電性能
2.2.1 效率優(yōu)化
為了提高能量轉(zhuǎn)換效率（PCE）和斜率效率（SE），通過多個有源區(qū)的堆疊，可以增大器件的增益體積。我們的多結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，利用了低串阻、低吸收的隧道結(jié)設(shè)計，并利用了外延層厚度精準(zhǔn)控制技術(shù)實現(xiàn)增益介質(zhì)與增益光場的對準(zhǔn)。6結(jié)VCSEL陣列的結(jié)構(gòu)示意圖和等效電路圖如圖2所示。
圖 2.6結(jié)VCSEL結(jié)構(gòu)示意圖和等效電路模型。
2.2.2 發(fā)散角優(yōu)化
對于傳統(tǒng)的多結(jié)VCSEL陣列，發(fā)散角會隨著隧道結(jié)和量子阱數(shù)量的增多而變大。基于文獻(xiàn)報道和我們的仿真實驗結(jié)果，VCSEL陣列的發(fā)散角會受到氧化層指標(biāo)的影響，如位置、厚度、Al組分和數(shù)量等因素，如圖3所示。圖3a給出了傳統(tǒng)6結(jié)VCSEL的結(jié)構(gòu)示意圖，上述氧化層指標(biāo)影響到“纖芯”（中心區(qū)域）和“包層”（氧化區(qū)域）的有效折射率差值。另外，引入了不同位置的增益損耗比，基橫模和高階橫模的分布位置也會發(fā)生變化。盡量擴(kuò)大基橫模的占比，有利于發(fā)散角的優(yōu)化。
圖 3.發(fā)散角優(yōu)化機理。（a）傳統(tǒng)6結(jié)VCSEL的結(jié)構(gòu)圖，（b）針對發(fā)散角性能的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。
2.2.3 填充分子優(yōu)化
填充因子定義為總發(fā)光窗口面積除以總發(fā)光面積。總發(fā)光窗口面積取決于每個發(fā)光孔的氧化孔徑，總發(fā)光面積取決于光束陣列的外徑。
公式1
其中F是填充因子，r是氧化孔徑的半徑，N是發(fā)光點數(shù)量，AL是總發(fā)光面積的長，Aw是總發(fā)光面積的寬。
公式2
其中J是電流密度，Io是工作電流。
從公式1和2可知，對于給定的總發(fā)光面積，低的填充因子會導(dǎo)致較高的電流密度，會導(dǎo)致器件工作在高電流密度模式。在此工作模式下，損壞的可能性會增大，影響器件可靠性。第二，高的電流密度，更容易出現(xiàn)增益飽和現(xiàn)象，盡管低于激光雷達(dá)的實際工作電流，但是轉(zhuǎn)換效率和斜率效率也會受到影響。第三，高的填充因子，會降低器件串阻，可以為驅(qū)動電路板的電壓限制提供更大的空間。我們調(diào)整氧化孔徑的尺寸，臺面尺寸和發(fā)光陣列的周期，以實現(xiàn)高填充因子的VCSEL陣列版圖，如圖4c所示。圖4中，從a，b到c，填充因子依次分別為27.0%，42.0%和48.8%。
圖 4.填充因子優(yōu)化機理。a）填充因子為27.0%的版圖設(shè)計，b）填充因子為42.0%的版圖設(shè)計，c）填充因子為48.8%的版圖設(shè)計。
2.3 工藝流片
流片工藝如圖5所示。
a. GaAs基底上的外延生長。
b. 背面Ti和SiN的應(yīng)力補償。P型接觸金屬被沉積在p+金屬層的表面。
c. 干法刻蝕產(chǎn)生臺面。
d. 氧化爐管進(jìn)行氧化工藝。
e. PECVD生長SiN鈍化層。
f. ICP-RIE刻蝕形成電流注入通孔。
g. 種子金沉積和金電鍍用于電流注入。
h. 研磨拋光襯底后，N型接觸金屬被沉積在N側(cè)。
圖 5.工藝流程圖。
03 不同設(shè)計的結(jié)果討論
3.1 高效率
我們針對5/6/8結(jié)的VCSEL陣列完成流片工藝。圖6給出了100Hz 10us脈沖電流驅(qū)動下的5/6/8結(jié)VCSEL陣列的對比。隨著更多結(jié)數(shù)的設(shè)計，斜率效率從4.9W/A，提升到5.9W/A，最終提升到8.3W/A，如圖6a所示。最大轉(zhuǎn)換效率從48.7%，提升到56.5%，最終提升到59.7%，如圖6b所示。
圖6.100Hz 10us脈沖電流驅(qū)動下的5/6/8結(jié)VCSEL陣列LI和PCE曲線。a）LI曲線，b）PCE曲線。
3.2 低發(fā)散角
為了證明基于不同氧化層位置的發(fā)散角優(yōu)化設(shè)計，我們增大了波導(dǎo)層厚度，保證氧化層和有源區(qū)的光學(xué)距離為0.25lambda，0.75lambda，和1.25lambda。如圖7所示，使用10kHz 10ns短脈沖測試條件，發(fā)散角分別優(yōu)化至27.9°、26.6°和24.6°。
圖7.短脈沖驅(qū)動下不同氧化層位置對發(fā)散角的影響。
3.3 高填充因子
針對圖4中的a/b/c三種結(jié)構(gòu)，我們進(jìn)行了5結(jié)的VCSEL陣列流片。并根據(jù)不同的臺面尺寸實現(xiàn)不同的氧化孔徑。考慮到給定的VCSEL陣列布局，圖8a中給出了8um/10um/12um氧化孔徑下的LI曲線。在10kHz 10ns短脈沖測試條件下，使用小的氧化孔徑，如8um，由于相對較大的電流密度，斜率效率降低。另外，針對不同填充因子設(shè)計的A，B，C結(jié)構(gòu)，其LI曲線如圖8b所示。在一定范圍內(nèi)，斜率效率會隨著填充因子的提高而提高。
圖8.不同填充因子設(shè)計的LI性能對比。a）不同氧化孔徑尺寸下的LI曲線，b）不同填充因子版圖設(shè)計A、B、C的LI曲線。
04 高性能8結(jié)VCSEL陣列和高量產(chǎn)能力
4.1 優(yōu)化后8結(jié)VCSEL陣列的性能
綜合上述優(yōu)化機理，我們實現(xiàn)了具有高功率密度、高斜率效率、低發(fā)散角的8結(jié)VCSEL陣列。其性能測試條件為10kHz 10ns短脈沖測試。如圖9a所示，15A的驅(qū)動電流下，輸出總功率為112W，功率密度超過1800W/mm2，轉(zhuǎn)換效率為21%。同時，其遠(yuǎn)場分布圖如圖9c所示，發(fā)散角性能如圖9d所示，小于21°。
圖9.8結(jié)VCSEL陣列的短脈沖測試性能。a）LIV曲線，b）光譜曲線，c）遠(yuǎn)場光斑的CCD圖像，d）遠(yuǎn)場光斑強度分布。
考慮到納秒測試條件，器件的熱累積可以忽略。為了研究不同溫度下的陣列性能，我們使用了TEC提供從30C到80C的環(huán)境溫度。10kHz 10ns短脈沖測試中，LI、FF和光譜性能如圖10所示。圖10a展現(xiàn)了8結(jié)VCSEL陣列極高的穩(wěn)定性。在工作條件15A下，其功率波動范圍小于8%，如圖10b所示。波長隨溫度漂移的曲線如圖10c所示，系數(shù)為0.07nm/C，如圖10d所示。
圖10. 8結(jié)VCSEL陣列的變溫性能。a）不同溫度下的LI曲線，b）功率隨溫度變化曲線，c）光譜隨溫度變化曲線，d）波長漂移與溫度關(guān)系。
4.2 VCSEL芯片的高量產(chǎn)能力
目標(biāo)激光雷達(dá)產(chǎn)品，圖11給出了6吋晶圓上能量轉(zhuǎn)換效率和波長分布的均勻性，顯示了蘇州長光華芯光電技術(shù)股份有限公司6吋生產(chǎn)線極好的量產(chǎn)控制能力。圖11a表明，超過95%的器件工作狀態(tài)下的能量轉(zhuǎn)換效率介于54%和58%之間。圖11b表明，超過95%的器件工作狀態(tài)下的波長分布介于935nm和945nm之間。
圖11.6吋晶圓VCSEL陣列的均勻性。a）PCE Map，b）波長Map。
05 總結(jié)
本文設(shè)計并制造了用于激光雷達(dá)應(yīng)用的高能量密度和低發(fā)散角的多結(jié)VCSEL陣列，優(yōu)化后的最大能量轉(zhuǎn)換效率為59.7%，斜率效率8.3W/A。測試條件為100Hz 10us寬脈寬驅(qū)動。對于8結(jié)VCSEL陣列產(chǎn)品，10kHz 10ns短脈沖驅(qū)動15A的工作電流下，其功率密度高達(dá)1800W/mm2，發(fā)散角小于21°（1/e2）。針對波長、能量密度、發(fā)散角和其他主要性能參數(shù)，可以隨客戶需求進(jìn)行定制服務(wù)。
致謝
作者感謝蘇州長光華芯光電技術(shù)股份有限公司VCSEL團(tuán)隊在器件設(shè)計、流片工藝、封裝及測試方面的工作。
參考文獻(xiàn)
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