研发报告详细内容

在GaN VCSEL 中实现单模工作

      材料来源:化合物半导体杂志

新型具有曲面反射镜的GaN VCSEL 设计实现单横模工作
 
Sony 公司的研究人员称,通过制作具有单横模工作能力的首款GaN VCSEL,他们取得了新的突破。
 
他们的器件在大约 443nm 的波长发射,并不是首个以这种方式工作的VCSEL 形式。甚至在世纪之交之前,GaAs VCSEL 就以单横模工作方式运行了。不过,在 GaAs VCSEL 中,这是通过将电流孔径减小至仅 3μm 左右(以避免激发高次模)来实现的。但是,这种方法抑制了输出功率——对于 850nm 的常见发射波长,输出功率通常至多为 3mW。
 
Sony 的设计克服了该局限性。底部的平面镜被一块曲面镜所替代,这一改变能够增强光约束。更重要的是,这种新型结构使得 VCSEL 能够具有一个较大的腔体,从而有助于光约束。
 
这个来自日本的研究团队制作了一个GaNVCSEL 产品系列,这些激光器具有不同的镜面曲率和多种电流孔径。
 
GaN VCSEL 器件的制备流程是,首先将一个 n 型 GaN 衬底装入 MOCVD 反应室,并沉积一个外延堆栈,该堆栈包括一个 n 型 GaN 层,一个具有 3 个 InGaN 量子阱的活性区域,以及一个 p型 GaN 层。接着进行的是真空沉积(添加一个氧化铟锡层),随后是一个顶端分布式布拉格反射器(DBR),其由 7 对 Ta₂O₅ 和 SiO₂ 制成。需要注意的是,这个 DBR 中的材料层数少于 Sony 以前制造的 VCSEL,旨在提高光取出效率。
 
工程师们使用硼离子注入来形成具有 3μm 至8μm 直径的电流孔径。在对 ITO 和 n 型 GaN 均进行了选择性反应离子刻蚀之后,添加了一对由一个 Ti/Pt/Au 堆栈制成的金属触点。连接至 ITO和 n 型 GaN 的触点分别产生了用于注入空穴和电子的电流通路。
 
在曲面镜形成之前,衬底的背面被抛光至20μm 的厚度。接着,添加成球(ball-up)树脂模,其在随后的反应离子刻蚀过程中充当牺牲掩模,这产生一个弯曲的表面。最后,真空沉积增加了14 对 Ta₂O₅ 和 SiO₂,以创建一个底端 DBR。
 
图:Sony 的新型VCSEL 设计,具有一个弯曲的底部反射镜,因而使得此类器件能够执行单横模工作。
 
Sony 的工程师测量了一系列采用 p 侧向上(p-side up)配置安装在 TO5.6 封装中的VCSEL 的发射特性。这些激光器在 20℃ 的温度条件下工作于连续波模式。
 
对具有曲率半径为 51μm 的底部反射镜的VCSEL 进行的研究显示,在电流孔径为 6μm 的器件的发射光谱中存在许多由高次横模引起的峰值。将电流孔径减小至 5μm,而后再降至 4μm,导致这些高次模的强度一次又一次地减弱,而当该孔径的大小仅为 3μm 时,则只存在与纵模相关联的峰值。
 
另外,研究人员还仔细检查了来自一对具有不同的曲率半径、但是电流孔径大小相同(其为4μm)的 VCSEL 的发射。对于具有 31μm 曲率半径的产品变体,在发射光谱和远场方向图中观察到了多个峰值,意味着执行的是多模横向操作。
 
形成鲜明对比的是,对于具有 51μm 曲率半径的VCSEL,在高达 6mA 的电流条件下,在远场中发现了类高斯轮廓(Gaussian-like profiles)。根据这些结果,该研究小组得出结论:反射镜的曲率半径能够控制单横模操作。
 
在以 6mA 电流驱动时,该VCSEL 发射 3.2mW的输出功率,并具有 30dB 的边模抑制比。
 
参考文献
 
H. Nakajima et al. Appl Phys. Express 12084003 (2019)
 


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