垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers,VCSELs)以其光束质量好、阈值电流低、易于二维列阵集成和制造成本低廉等优点而逐渐受到了人们广泛的关注。目前,VCSELs器件已经广泛应用于光通讯、光互连、计算机系统、显示、存贮、医疗、工业加工和军事等方面。尤其是VCSELs的大功率应用更是具有无限广阔的前景。当前,提高器件输出功率的方法一般是增大列阵集成度,但是由于列阵中发光单元的连接方式是并联,所以增大集成度的同时也增大了驱动电流。若每个发光单元台面300μm,间距500μm,一个三英寸的芯片可以集成七万多个发光单元,按照每个发光单元3安的驱动电流计算,那么一个三英寸的芯片将需要超过21万安的电流源,这么大的电流源是无法得到的,目前国际上最大的脉冲电流源也不超过5千安。驱动电源问题是全世界共同面临的难题,如果这一问题无法解决,大功率VCSELs的应用将受到严重阻碍。传统的闭合型顶发射结构需要在沟槽中填充聚酰亚胺,这将影响器件的散热效率并增加了器件内部应力,并且需要通过刻蚀进行平坦化,而刻蚀工艺又会对器件结构造成损伤。针对以上问题本论文首先提出一种VCSELs列阵器件串并联相结合的结构,解决电流源问题;然后提出一种非闭合型顶发射VCSELs单管和列阵结构,解决了散热和刻蚀对器件损伤的问题,并对VCSELs器件的设计方法、理论计算和工艺技术等方面进行了详细的分析和研究。主要内容和创新点有:1.将VCSELs列阵器件以串联的方式连接在一起,形成串并联相结合的结构,可以在小幅提高驱动电流的条件下,大大提高VCSELs输出功率;对通过此种办法制备的器件进行测试分析,结果显示串接四个列阵芯片的器件、串接两个列阵芯片的器件和单个列阵芯片器件的阈值电流基本一致,等于单个列阵器件的阈值电流,在相同的注入电流下,串联两个芯片的器件功率接近单个芯片器件功率的2倍,而串联四个芯片的器件功率接近单个器件功率的4倍;将该结构器件应用于本组的项目当中,获得了良好的评价;同时该结构获得了国家授权的发明专利。2.在刻蚀台面时,刻蚀非闭合环形沟槽。该结构的金丝键合区与电流注入区在同一个连续平面上,因此不需要在沟槽中填充聚酰亚胺,增大了器件的散热效率,降低了器件自发热对性能的影响,减少了器件内部应力,同时该结构不需要通过刻蚀进行平坦化,减少了刻蚀工艺对器件结构的损伤,提高了器件性能。3.对有源区的阈值电流、微分量子效率、边模情况、热特性和泵浦效率做了详细的理论计算;从理论上分析了渐变型DBRs的特性和优势;分析了载流子浓度、注入电流分布和载流子传输机制对空间烧孔现象的影响以及空间烧孔现象对VCSELs器件性能的影响;计算了流经DBRs的电流并描述了电流的传输机制;分析了器件内部发热对器件性能的影响并介绍了简单的热分析模型。4.设计了合理的顶发射工艺流程,并对该工艺流程中的关键工艺步骤进行优化;详细分析了每一个工艺步骤对器件性能的影响。
