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Heng Liu^a,b, Pei Miao^a,b, Yao Xiao^a,b, Chang Liu^a,b, Zhicheng Zhang^a,b, and Jun Wang^a,b,*aSuzhou Everbright Photonics Co., LTD, Suzhou, Jiangsu, P. R. China^bSichuan University, Chengdu, Sichuan, P. R. China

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劉恒^a,b，苗霈^a,b，肖垚^a,b，劉暢^a,b，

張志成^a,b，王俊^a,b,*

^a?蘇州j9國際站備用光電技術(shù)股份有限公司，

蘇州

^b?四川大學(xué)，成都

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Proceedings Volume 12020, Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers XXVI; 1202005 (2022) http://doi.org/10.1117/12.2609601Event: SPIE OPTO, 2022, San Francisco, California, United States

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摘要

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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(jì)和流片工藝，如隧道結(jié)、氧化層和陣列布局。本文報(bào)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(shí)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）。

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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

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01?背景介紹

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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(jì)，VCSEL陣列可以實(shí)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(shí)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(jì)，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。

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本文中，通過優(yōu)化外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝的VCSEL陣列可以實(shí)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(shí)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°。

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02?高光束質(zhì)量的多結(jié)VCSEL陣列設(shè)計(jì)

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2.1?應(yīng)用需求

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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(diǎn)云（Point Cloud）密度隨之降低，分辨率也會受到限制。為了實(shí)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。

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設(shè)計(jì)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(gè)極佳的平臺。基于此理念，我們設(shè)計(jì)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(jì)來實(shí)現(xiàn)更高功率密度和更低的發(fā)散角性能。

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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。

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2.2?器件光電性能

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2.2.1? 效率優(yōu)化

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為了提高能量轉(zhuǎn)換效率（PCE）和斜率效率（SE），通過多個(gè)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(jì)中，利用了低串阻、低吸收的隧道結(jié)設(shè)計(jì)，并利用了外延層厚度精準(zhǔn)控制技術(shù)實(shí)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。

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圖 2.6結(jié)VCSEL結(jié)構(gòu)示意圖和等效電路模型。

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2.2.2? 發(fā)散角優(yōu)化

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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(bào)道和我們的仿真實(shí)驗(yàn)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。

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圖 3.發(fā)散角優(yōu)化機(jī)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)。

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2.2.3? 填充分子優(yōu)化

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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(gè)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。

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公式1

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其中F是填充因子，r是氧化孔徑的半徑，N是發(fā)光點(diǎn)數(shù)量，A_L是總發(fā)光面積的長，A_w是總發(fā)光面積的寬。

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公式2

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其中J是電流密度，I_o是工作電流。

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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(shí)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(shí)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%。

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圖 4.填充因子優(yōu)化機(jī)理。a）填充因子為27.0%的版圖設(shè)計(jì)，b）填充因子為42.0%的版圖設(shè)計(jì)，c）填充因子為48.8%的版圖設(shè)計(jì)。

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2.3?工藝流片

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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(bǔ)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)。

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圖 5.工藝流程圖。

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03?不同設(shè)計(jì)的結(jié)果討論

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3.1?高效率

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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(jì)，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。

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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。

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3.2?低發(fā)散角

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為了證明基于不同氧化層位置的發(fā)散角優(yōu)化設(shè)計(jì)，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°。

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圖7.短脈沖驅(qū)動下不同氧化層位置對發(fā)散角的影響。

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3.3?高填充因子

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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(shí)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(jì)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。

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圖8.不同填充因子設(shè)計(jì)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(jì)A、B、C的LI曲線。

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04?高性能8結(jié)VCSEL陣列和高量產(chǎn)能力

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4.1?優(yōu)化后8結(jié)VCSEL陣列的性能

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綜合上述優(yōu)化機(jī)理，我們實(shí)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(shí)，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°。

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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(qiáng)度分布。

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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。

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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

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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j9國際站備用光電技術(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。

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圖11.6吋晶圓VCSEL陣列的均勻性。a）PCE Map，b）波長Map。

5?總結(jié)

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本文設(shè)計(jì)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)。

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致謝

作者感謝蘇州j9國際站備用光電技術(shù)股份有限公司VCSEL團(tuán)隊(duì)在器件設(shè)計(jì)、流片工藝、封裝及測試方面的工作。

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參考文獻(xiàn)

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