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技术文章:激光器芯片之垂直面发光芯片

侧发光激光芯片依靠衬底晶体的解离面作为谐振腔面,在大功率以及高新能要求的芯片上技术已经成熟,但是也存在很多不足,例如激光性能对腔面的要求较高,不能用常规的晶圆切割,比如砂轮刀片、激光切割等。

在实际生产中测试环节又特别麻烦,需要解离成bar条才能继续测试,这个需要消耗切片的生产能力。

因此很多人想研发出面发射激光器芯片。

刻蚀45°镜面反射侧出光。发射特性完全依赖于内部反射镜的倾斜角度和平整度,工艺制作困难,并有光束畸变等问题,早期很多人研究,也有用Mems做镜面的研究,但是很难量产。

这是一种高阶耦合光栅的SELD,尽管可以获得发散角较小的窄细光束,但是其发射界面呈条状结构,由于布拉格反射作用,其纵模选择性好,可以实现动态单纵模工作,但是其发射光的大部分进入衬底,使效率大大降低,而且激光束的反射角度随着波长而变化。

第三种就是Vcsel芯片,其有源区直径和腔长只有微米级,容易实现低Ith,微安电流的级别。

具有高的微分量子效率,光束发散角很小,也易于光纤耦合,同时具备良好的动态单纵模和空间发射模特性。

  Vcsel的发射波长取决于外延生长,而不是完全有材料和芯片工艺决定,也因此比较容易实现发射波长的准确控制。可以制备出vcsel阵列,而且可以实现在晶圆表面直接测试。

高功率VCSEL研发的难点主要在于发光孔增多的情况下,如何处理热效应的问题。对此乾照光电在外延方向上优化外延量子阱,提高内量子效率,以及优化外延材料的热阻,改善器件散热特性;在芯片方向通过优化芯片设计结构,提高光电效率。

目前国内Vcsel的产业链已经趋于成熟,晶圆也可以做到6inch的规模,也有在准备8英寸的迹象了。但是长波长比如1310nm1550nm的vcsel芯片目前还面临很多问题,因为其需要更厚的DBR层。

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