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超低功耗且高效率的红光VCSEL

时间:2022-01-25发布者:文/柯毛龙,江西德瑞光电技术有限责任公司

VCSEL(Vertical Cavity Surface Emission Laser)是垂直腔面发射激光器的英文缩写,它意味着器件的出光方向与其材料生长方向相同,即垂直于芯片的衬底面(见图1)。由于VCSEL具有若干独特的特点,比如,有源区可以做得很小,光功率密度低,无需解理腔面且出光方向垂直出射等。的确,典型单模VCSEL芯片的有源区体积只有0.3μm3左右,仅为同类型单模边发射激光芯片有源区的1/30左右,因为激光的阈值电流大致与其体积成正比,所以VCSEL的阈值电流可以小到100μA以下;VCSEL的光功率密度通常不超过10kW/cm2,是边发射激光芯片的千分之一,这样就自然避免了因功率密度过高造成的腔面损伤这一致命问题;再则,无需解理腔面的特点意味着芯片后端工艺简单、且其尺寸可以做得非常小,从而有利于提升芯片产出,无需解理还意味着可以直接在晶圆上进行测量筛选,从而显著降低芯片生产成本。除此之外,VCSEL还具有光束圆对称,易于光学耦合等特点。


红光VCSEL是种类繁多的VCSEL家族中一种重要分支,广泛应用于塑料光纤通讯、激光显示、光传感等领域。虽然在一般意义上红光的光谱范围为622~780nm,然而对于红光VCSEL来说,目前在实验室能够获得最短的波长大致为650nm,商业性产品的波长通常在660~690nm之间。红光VCSEL在结构上,大致由n型AlGaAs/AlGaAsDBR、包括量子阱有源区在内的λ腔、p型AlGaAs/AlGaAs DBR 组成。为了确保器件能够激射并具有低阈值电流,DBR的反射率必须足够高。


 


不同于850nm或940nm VCSEL,红光VCSEL在设计、生长和制作上给人们带来相当的挑战,短波长红光(<670nm)VCSEL的制作尤为困难。之所以如此,是因为红光有源区材料采用InGaAlP材料,而这一材料的固有缺陷是其带隙非常有限,势垒与势阱间的带隙差小,严重限制了短波长有源区对载流子的空间限制能力,从而导致器件的发光效率低下,温度特性差。


在VCSEL工艺中,氧化工艺是其独有且至关重要的关键工艺。氧化工艺具有双重作用:第一,通过氧化,将含有高Al组份的Al0.98GaAs材料转换成铝的氧化物,从而变成不能导电的绝缘体,这样,可以将注入的电流限制在较小的区域内;第二,氧化工艺同时改变了被氧化区域材料的折射率,从而形成所谓的波导效应,对光起到空间限制作用。鉴于芯片的光电参数,如阈值电流、光功率、芯片电压等与芯片的工艺参数——氧化孔径密切相关,我们仔细研究了芯片参数与氧化圈孔径大小之间的关系。

 


图2为仿真计算的不同氧化孔径时,680nm 激光器在TO56 封装条件下的光功率、电压以及电光转换效率随电流变化的关系。很显然,小氧化孔径的芯片阈值电流小,但因受芯片热效应的影响,能够输出的最高光功率也小一些;反之,对于较大氧化孔径的芯片,尽管阈值电流大一些,但能够工作在更高的光功率状态。

另一方面,从电光转换效率的角度看,尽管不同孔径的最高电光转换效率非常接近,然而,小氧化孔径芯片的最佳效率所对应的电流,要比大孔径芯片的最佳效率所对应的电流要小,而且在电光转换效率意义上说,小孔径的工作窗口更小一些。所以对于实际的应用而言,需要确切掌握实际应用所需要的功率参数,据此设计最佳的氧化孔径。图3-5为德瑞光电实际生产的孔径为16μm的680nmVCSEL芯片测试结果,表1为主要性能参数。


上述参数与某国际知名公司的同类产品相比,德瑞光电芯片的斜率效率达1.06mW/mA,远远超出该国际公司0.7mW/mA的数值。正因为德瑞光电的芯片具有很高的外量子效率(斜率效率),从而保证了芯片的整体电光转换效率达到了32%左右。需要说明的是,上述测试仅仅代表着德瑞光电产品相对保守的性能水平。事实上,目前很多批次产品的斜率效率最高达1.2mW/mA,对应的电光转换效率超过35%。

 

另外德瑞光电的产品在远场发散角方面表现也比较不错:远场发散角较小(22.9°Vs. 25°)以及更理想的远场分布(45% dip Vs. 79% dip),这里dip 是指光场分布中,0°位置处的光场强度比最高光场强度减弱的程度。显然,dip 越大,意味着远场的角度分布越不理想。

 

除了上述参数外,其他参数,如阈值电流、工作电压都与竞品参数非常接近。总之,德瑞光电的680nm VCSEL的参数性能已经达到或优于国际同类竞品的性能,这标志着我国红光VCSEL芯片的国产化进程,已经达到了可以与国际同行平等竞争的程度。

 

除了上述参数外,器件的寿命必须经过严格的测试评估。半导体激光器的失效模式有两种:(1)以光学灾变(COD,可以发生在腔内或腔面)为典型特征的突变死亡模式;(2)功率随时间衰减的缓变模式。在VCSEL中,由于腔内的功率密度仅为对应的边发射激光芯片的功率密度的千分之一,所以VCSEL芯片几乎不存在所谓的光学灾变失效模式。但是,VCSEL中的电流密度却是对应的边发射芯片电流密度的3倍左右,这意味着高电流密度导致的结温升高,将成为芯片失效的主要模式。

 

大量实验测试表明,随着电流密度的增加,芯片功率衰减速率显著增加。值得注意的是,芯片的可靠性与许多因素相关,包括材料结构设计、材料生长工艺,以及器件制作工艺等。图6显示了德瑞光电的680nm VCSEL芯片在85°的环境温度下、工作电流为10mA时的芯片功率随时间的变化。在长达900小时的寿命测试过程中,并未出现功率衰减现象。



如前所述,由于红光VCSEL采用InGaAlP 量子阱发光材料,而InGaAlP 材料的带隙非常有限,而材料带隙对芯片的内量子效率以及温度特性有着极为显著的影响。因此,短波长红光VCSEL芯片的性能要比长波长VCSEL的性能差,比如当波长变为665nm时,芯片的斜率效率以及对应的电光转换效率显著变差,图7为德瑞光电的665nm VCSEL 的实际测试结果。从图7中可以看出,当波长变为665nm时,芯片的斜率效率减小到约0.7mW/mA,对应的电光转换效率也减小到20%左右。


总之,通过过去三年多的持续研发努力,德瑞光电的红光VCSEL芯片无论参数性能、还是可靠性指标均已达到甚至超越国际同类产品,大量小规模市场应用,已经满足了用户的不同要求。德瑞光电将持续投入大量资源,开展高性能红光VCSEL芯片的研发,包括芯片温度特性的提升、更短波长的VCSEL的研发等,推动我国VCSEL产业健康发展。


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