高功率转换效率905 nm垂直腔面发射激光器的设计与制备*

赵壮壮 荀孟 潘冠中 孙昀 周静涛 王大海 吴德馨

(中国科学院微电子研究所， 北京 100029)

通过对影响垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser， VCSEL)的功率转换效率的因素进行理论分析， 得出斜率效率是影响功率转换效率的主要因素的结论.为获得高功率转换效率， 通过对有源区量子阱、P型和N型分布布拉格反射镜(DBR)等进行优化， 设计出了905 nm VCSEL的外延结构并进行了高质量外延生长.成功制备出了不同氧化孔径的905 nm VCSEL器件， 获得的最大斜率效率为1.12 W/A， 最大转换效率为44.8%.此外， 探究了氧化孔径对VCSEL的远场和光谱特性的影响.这种具有高功率转换效率的905 nm VCSEL器件为激光雷达的小型化、低成本化提供了良好的基础数据.

1 引 言

垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser， VCSEL)具有许多优异的特性， 如圆形光斑、低阈值、单纵模、高速调制、波长温漂小、易于二维集成等[1-5]， 已在数据通信， 短距离光互连中得到了广泛的应用[6-10].近年来， 随着手机3D传感、虚拟与现实、手势识别等技术的兴起，VCSEL在消费电子市场迅速崛起， 并呈现逐年增长的态势.另外， 在距离探测、自动驾驶等领域， 高精度、小体积的激光雷达成为必不可少的关键部件.其中， 905 nm的半导体激光器成为激光雷达的主流核心光源， 这是因为空气中的水蒸汽对905 nm波段附近的激光具有较小的吸收.此外， 905 nm波段可以与成熟廉价的Si探测器以及具有高响应度的雪崩二极管探测器(APD)匹配.在激光雷达中应用时， VCSEL相对于边发射激光器具有非常明显的优势.首先， VCSEL可以发射出圆形光斑， 这……