一种新型的垂直外腔面发射半导体激光器沈少棠北京工业大学应用数理学院 000611指导教师：宋晏蓉摘要介绍了一种新型的垂直外腔面发射半导体激光器的结构、制作工艺、优点及其应用。

关键词激光器，半导体，垂直外腔面一、引言垂直腔面发射激光器（VCSEL）及其阵列是一种新型半导体激光器，它是光子学器件在集成化方面的重大突破，它与侧面发光的端面发射激光器在结构上有着很大的不同。

端面发射激光器的出射光垂直于晶片的解理平面；与此相反，VCSEL的发光束垂直于晶片表面。

它优于端面发射激光器的表现在：易于实现二维平面和光电集成；圆形光束易于实现与光纤的有效耦合；有源区尺寸极小，可实现高封装密度和低阈值电流；芯片生长后无须解理、封装即可进行在片实验；在很宽的温度和电流范围内都以单纵模工作；价格低。

二、垂直腔面发射激光器的结构图1为VCSEL的结构示意图，由布拉格反射镜，有源层和金属层接触组成。

其衬底的选择有以下3种。

1、硅衬底 在硅（Si）上制作的VCSEL还不曾实现室温连续波工作。

这是由于将AlAs/GaAs DFB直接生长在Si上，其界面不平整所致，使DFB的反射率较低。

日本Toyohashi大学的研究者由于在GaAs/Si异质界面处引入多层（GaAs）m（GaP）n应变短周期超晶格（SSPS）结构而降低了GaAs-on-Si异质结外延层的密度。

2、蓝宝石衬底 美国南方加利福利亚大学的光子技术中心为使VCSEL发射的850nm波长光穿过衬底，采用晶片键合工艺将VCSEL结构从吸收光的GaAs衬底移开，转移到透明的蓝宝石衬底上，提高了wall-plug效率，最大值达到25%。

3、砷化钾衬底 基于砷化钾（GaAs）基材料系统的VCSEL由于高的Q值而备受研究者青睐，目前VCSEL采用最多也是生长在GaAs衬底上。

但以GaAsSb QW作为有源区的CW长波长VCSEL发射波长被限制在1.23 微米。

发射波长1.3 微米的GaAsSb-GaAs系统只有侧面发射激光器中报道过。

日前美国贝尔实验室的F.Quochi等人演示了室温CW时激射波长为～1.28 微米的生长在GaAs衬底下的光泵浦GaAsSb-GaAs QW VCSEL。

这个波长是目前报道的GaAsSb-GaAs材料系最长的输出波长。

三、垂直腔面发射激光器的制作新工艺1、氧化物限制工艺 氧化物限制的重大意义在于：能较高水平地控制发射区面积和芯片尺寸，并能极大地提高效率和使光束稳定地耦合进单模和多模光纤。

因此，采用氧化物限制方案器件有望将阈值电流降到几百 Ａ，而驱动电流达到几个mA就足以产生1mW左右的输出光功率。

采用氧化孔径来限制电流与光场，使效率得到显著提高，同时降低了VCSEL的阈值电流。

所以，现在极有可能在单个芯片上制作大型和密集型封装的氧化限制VCSEL阵列而不会存在严重的过热问题。

除低阈值电流和高效率外，均匀性是成功的VCSEL阵列的又一重要因素。

在驻波节点处设置微氧化孔提高了VCSEL 阵列的均匀性，并降低了小孔器件的散射损耗。

美国University of Southern California大学日前演示的均匀晶片键合氧化限制底部发射850nm VCSEL阵列中，5 * 5 VCSEL阵列的平均阈值电流低至346 毫安，而平均外量子效率接近57%，室温连续波电流激射时单模输出功率超过2 mW。

他们还演示了大（10* 20）VCSEL阵列，其阈值电流和外量子效率的变化分别低于4%与2%。

2、晶片键合工艺 长波长垂直腔面发射激光器（LW-VCSEL）因其低价格、超低阈值和小的光束发散角，作为光纤通信系统中的激光源有很大的潜力。

但是由于它的氧化层和有源层间存在着为满足足够的电流传播和弱的光横向限制的固有距离，使LW-VCSEL遭受横电光限制，因此在高的结电流时会出现一个不稳定的横模图形。

日本NTT光子实验室将具有充分的横向限制的掩埋异质结（BH）引入VCSEL中，采用了薄膜晶片键合工艺使InP基掩埋异质结VCSEL制作在 GaAs-DBR 上。

具体过程如下:（a）采用MOCVD生长InP 基激光器结构（第一次生长）；（b）采用反应离子刻蚀（RIE）形成台面方形；（c）再一次生长掺Fe InP层和n-InP层（第二次生长）；（d）又一次生长p-InP相位匹配和p-InGaAs接触层（第三次生长）；（e）将外延层安装在Si板上并用蜡作机械支撑；（f）采用HCl和H3PO4化学溶液腐蚀InP 衬底和InGaAsP腐蚀中止层；（g）将InP基和GaAs基层的两表面在相同结晶方向面对面放置，然后在室温下蜡熔解而使Si片分开，将样品送入退火炉以形成化学键合；（h）将台面上部的p-InGaAs 移开并将普通电极和SiO2-TiO2介质镜从台面上移去。

底部涂覆一层抗反射涂层。

因为熔合界面远离有源区，而且它不在器件电流通过的路径上，所以晶片键合过程不会影响器件特性。

此LW- VCSEL 结构有以下优点：首先，谐振腔波长可在晶片融合之前监控， 因此发射波长可以提前控制。

第二，激光器工作的可靠性会由于有源层和 InP-GaAs熔合界面之间有足够距离而变得很高。

此外，它能低电压工作的潜力在很大程度上是因为 p-GaAs-AlAs DBR和 p-InP-p- GaAs 界面间的高电阻得到了消除。

四、垂直腔面发射激光器的优点垂直外腔面发射半导体激光器是二十世纪九十年代后期发展起来的新技术。

它兼顾了面发射激光器、边发射激光器和固体激光器三者的优点，既有好的光斑模式和较高的输出功率，波长又很容易设计成不同波段。

与垂直腔面发射半导体激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL）相比，VECSEL的光斑尺寸比较大(≈100微米，VCSEL尺寸只有几微米)，输出功率已经得到2W 以上（VCSEL的功率只有几毫瓦）[1]；通过外腔选模，输出的光斑质量可与TEM00模固体激光器相比拟，同时由于VECSEL的输出镜和半导体增益芯片是分离的，因此可以在腔中加入各类调谐元件,类似固体激光器。

与固体激光器相比，VECSEL在吸收光和发射光波长方面也有很大的优势。

由于半导体材料的吸收带很宽，因此对泵浦源的波长及稳定度要求不高。

发光波长是由半导体增益介质的材料组分和量子阱的厚度决定的，原则上可以得到600nm-1700nm的任何波长，覆盖范围广，并且可以连续变化。

经过倍频后，可以扩展到目前热点追踪的蓝绿光波段[2]。

五、垂直外腔面发射半导体激光器的应用VCSEL发射激光器是光通信中的一种深具潜力的固体激光源，被称为新千年最重要的光通信器件。

其特征为圆形输出光束，易与光纤耦合，转换效率高，调制速率快，阀值很低，噪声小；垂直腔面很小，易于高密度大规模集成和成管前整片检测。

VCSEL还非常适合在光互连、激光打印、气体检测、高密度光存储、显示方面的应用。

VCSEL的运用，使得曾经受控于LEDs或边发射的激光技术获得更高效率、更大作用以及更高精度。

从光驱到多维光导网络，从DVD播放器到动作感应装置，从信息到工业乃至医药市场无数的应用中，VCSEL都能实现惊人的成效。

VCSEL已完全使光电科技步入更高水平。

在生物医学中，观察生物用的普通染料有毒，容易使生物活性细胞死掉。

二十世纪九十年代末开发出的荧光蛋白质染料是具有生物活性的物质，不会杀死活体细胞，日益得到广泛应用。

图1是四种典型的荧光蛋白质的吸收光谱。

可以看出，除了ECFP的吸收是400nm左右的短波长，其他三种活性荧光染料都可以用488nm的激光来激发。

而对于514nm附近的波长，其他三种蛋白质（绿、黄、红）的吸收都在50％以上，即这个波长可以同时激发三种染料，特别适用于多波长生物标识。

因此488nm-514nm波长在生物医学中有很重要的应用价值。

由于固体激光器发光波长的限制，目前主要的激光源是氩离子激光器。

但氩离子激光器功率消耗大，寿命有限[3]，因此开发488nm-514nm波长的小型化固体或半导体激光器，取代气体激光器，对节省能源，降低消耗，保护生态环境方面具有重大意义。

由于VECSEL同时缩小了泵浦源和谐振腔两部分，使总体体积大大缩小，在实际应用中，可以很方便地作为仪器仪表和显微镜的配套光源，携带方便，实用化程度高。

因此研制出以GaAs为衬底的976nm-1028nm的OP-VECSEL，倍频后得到488nm-514nm波长的VECSEL连续激光器具有重大意义。

此外，生物医学上观测的活性样品在连续光照射下容易被破坏，利用红外光源的双光子吸收可以解决这个问题，并消除激发光源的背景干扰，提高分辨率。

由于VECSEL的增益芯片和腔镜是分离的，激光腔中可以加入半导体可饱和吸收镜（SESAM）被动锁模，产生皮秒或飞秒宽度的脉冲，较好地满足这种需求。

从荧光蛋白质的发射谱（见下图）来看，如果激发光波长和发射光波长过近，容易造成背景光干扰。

而双光子吸收利用的基频光是近红外光，远离发射波长，没有干扰。

如果作为DNA和蛋白质芯片检测用光源，由于没有背景光的干扰，可以提高分辨率，减少误诊率。

这是研制976nm-1028nm 波长的锁模脉冲激光器的重要意义。

而这一波段，恰恰是固体激光器的空白。

利用半导体能带工程，就可以开发出适用生物检测的激光波长，正是VECSEL的优势所在。

光泵浦VECSEL是新型激光器，波长还可以延伸至通信波长和自由空间通信波长，有很大的研究、开发价值和应用前景。