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双转移技术制备的高功率顶发射940 nm薄膜VCSEL
2022-01-16 11:05:24 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

韩国研究人员近期发表了基于双转移技术制备的高功率顶发射940 nm薄膜垂直腔面发射激光器（VCSEL）的最新论文，利用这种双转移技术制备的低功耗和高功率薄膜VCSEL将使薄膜VCSEL在三维深度传感系统和现代激光雷达（LiDAR）在汽车驾驶系统中的广泛应用成为可能。

据麦姆斯咨询报道，近日，由韩国亚洲大学（Ajou University）和RayIR Corporation, LTD组成的研究团队在Scientific Reports期刊上发表了基于双转移技术制备的高功率顶发射940 nm薄膜垂直腔面发射激光器（VCSEL）的最新论文，利用这种双转移技术制备的低功耗和高功率薄膜VCSEL将使薄膜VCSEL在三维深度传感系统和现代激光雷达（LiDAR）在汽车驾驶系统中的广泛应用成为可能。

转移到铝散热器上的顶发射940 nm薄膜VCSEL的p-on-n结构示意图

图1 转移到铝散热器上的顶发射940 nm薄膜VCSEL的p-on-n结构示意图

随着对高速数据通信网络的需求，VCSEL由于其低功耗和低阈值电流下的高调制速度，被认为是一种非常受青睐的光数据链路光源，此外，它还具有圆型光束、低发散角的优点，可实现与其他系统的高效光学耦合。随着高功率VCSEL的发展，VCSEL可广泛用于一系列其它新兴应用。高功率VCSEL，尤其是那些在940 nm波长（经过大气水分吸收，该波长的太阳光大幅衰减）下工作的VCSEL，因其可广泛应用于三维光学传感系统和采用飞行时间（ToF）技术的LiDAR，近期备受关注。

然而，由于在较高的注入电流下，有源层周围的温度显著升高导致热阻，因此高功率VCSEL的安全性受到了限制。热阻会对如阈值电流、阈值电压、输出功率和发射光谱等器件性能产生不利影响。此外，自热效应会降低VCSEL的工作寿命，从而使VCSEL的可靠性变得不稳定。为了解决这一问题，人们付出了大量的努力，尝试在去除生长衬底后，将薄膜VCSEL转移到散热器上，从而改善VCSEL的热特性。由于串联电阻的降低，可以降低去除衬底的薄膜VCSEL的驱动电压，而代价是相当厚和适度掺杂的砷化镓（GaAs）衬底。

高功率薄膜VCSEL需要分布式布拉格反射镜（DBR）的结构设计。具有p-on-n极性的VCSEL将p型DBR置于多量子阱（MQW）之上，由于n型高反射DBR的串联电阻降低以及n型衬底的较低缺陷密度，因此它比具有n-on-p极性的VCSEL更适合被使用。具有高电子迁移率和横向电导率的n型DBR有望降低电流拥挤效应，从而降低阈值电压和器件发热。为了使转移到散热器上的薄膜VCSEL保持常规的p-on-n极性，顶发射薄膜VCSEL需要按相反顺序外延生长。然而，值得注意的是，由于在相对较薄的p型DBR之后的较厚的n型DBR，倒置VCSEL结构会受到热预算的影响。由于在大量DBR周期内对厚度、成分和掺杂浓度的严格控制是实现必要的高反射率的先决条件，因此，热预算可能会引发VCSEL的关键生长问题。

顶发射940 nm薄膜VCSEL的p-on-n结构

图2 顶发射940 nm薄膜VCSEL的p-on-n结构

将薄膜VCSEL转移到铝散热器上的双转移技术

图3 将薄膜VCSEL转移到铝散热器上的双转移技术

研究人员采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，以垂直顺序外延生长了顶发射薄膜VCSEL的p-on-n结构，包括一个刻蚀停止层和一个高n掺杂GaAs欧姆层。论文详细描述了将薄膜VCSEL从生长衬底释放并转移到铝散热器上的转移技术。铝的热导率（2.47 W/cm K）是GaAs衬底（0.54 W/cm K）的4.57倍，由于具有更高的翻转电流和更低的热阻，因此能够实现高功率VCSEL的工作。通过使用聚酰亚胺载体、铝散热器和粘结材料（如蜡、银填充的环氧树脂等）的双转移工艺，顶发射940 nm薄膜VCSEL被成功地制备到铝散热器上。这种双转移技术允许顶发射薄膜VCSEL在将垂直顺序生长的VCSEL转移到铝散热器上后保持p-on-n极性。图1显示了转移到铝散热器上的顶发射940 nm薄膜VCSEL的示意图。研究人员利用光谱和光-电流-电压（L-I-V）曲线对所制备的薄膜VCSEL进行了研究。所制备的顶发射薄膜VCSEL的阈值电流（I_th）和电压（V_th）分别为1 mA和2.8 V。在16.1 mA的翻转点处，光功率为7.7 mW。

顶发射940nm薄膜VCSEL的制备