近年來，隨著激光雷達（LiDAR）技術的發展，VCSEL陣列光源，由于其低制造成本、小溫漂系數、易于二維集成的優勢，越來越受到激光雷達應用市場的關注。首先，使用特殊的結構和工藝設計，VCSEL陣列可以實現更高的功率密度和更低的發散角，以滿足激光雷達長距離應用的發展需求，利用多結VCSEL技術是產品實現更高效率、更高功率密度的關鍵。其次，使用特殊的結構設計，如優化氧化層的位置、厚度、Al組分，發散角性能可以進一步優化。最后，更高的填充因子意味著更小的芯粒面積，也有利于更高的輸出功率密度。考慮到納秒級的短脈沖測試條件，VCSEL陣列的熱積累可以忽略。大的氧化孔徑和小的周期尺寸也可以用于提高填充因子。

本文中，通過優化外延結構設計和制造工藝的VCSEL陣列可以實現高功率密度和低發散角。在晶圓級100Hz 10us的寬脈沖測試條件下，VCSEL陣列的能量轉換效率峰值高達59.7%，斜率效率高達8.3W/A。另外，在器件級10KHz 10ns短脈沖測試條件下，VCSEL陣列可以實現高于110W的峰值功率輸出，對應的功率密度高于1800W/mm2，發散角達到21°。

激光雷達是一種利用激光成像技術進行精準距離量測的技術，被認為是智能駕駛、3D傳感等領域最重要的探測技術之一。隨著探測距離的增加，點云（Point Cloud）密度隨之降低，分辨率也會受到限制。為了實現遠距離3D掃屏的重建，就需要具有更高功率密度、更低發散角的高質量激光光束。

設計理念如圖1所示。使用納秒級短脈沖測試，具有小發散角的多結VCSEL陣列為激光雷達的應用提供了一個極佳的平臺。基于此理念，我們設計并制造了世界領先的多結VCSEL陣列（5/6/8結），并利用特殊的氧化層和填充因子設計來實現更高功率密度和更低的發散角性能。

圖 1. 激光雷達光源探測示意圖，左為常規，右為更高功率密度、更小發散角優化結果。

為了提高能量轉換效率（PCE）和斜率效率（SE），通過多個有源區的堆疊，可以增大器件的增益體積。我們的多結結構設計中，利用了低串阻、低吸收的隧道結設計，并利用了外延層厚度精準控制技術實現增益介質與增益光場的對準。6結VCSEL陣列的結構示意圖和等效電路圖如圖2所示。

圖 2.6結VCSEL結構示意圖和等效電路模型。

對于傳統的多結VCSEL陣列，發散角會隨著隧道結和量子阱數量的增多而變大。基于文獻報道和我們的仿真實驗結果，VCSEL陣列的發散角會受到氧化層指標的影響，如位置、厚度、Al組分和數量等因素，如圖3所示。圖3a給出了傳統6結VCSEL的結構示意圖，上述氧化層指標影響到“纖芯”（中心區域）和“包層”（氧化區域）的有效折射率差值。另外，引入了不同位置的增益損耗比，基橫模和高階橫模的分布位置也會發生變化。盡量擴大基橫模的占比，有利于發散角的優化。

圖 3.發散角優化機理。（a）傳統6結VCSEL的結構圖，（b）針對發散角性能的優化結構。

填充因子定義為總發光窗口面積除以總發光面積。總發光窗口面積取決于每個發光孔的氧化孔徑，總發光面積取決于光束陣列的外徑。

公式1

其中F是填充因子，r是氧化孔徑的半徑，N是發光點數量，A_L是總發光面積的長，A_w是總發光面積的寬。

公式2

其中J是電流密度，I_o是工作電流。

從公式1和2可知，對于給定的總發光面積，低的填充因子會導致較高的電流密度，會導致器件工作在高電流密度模式。在此工作模式下，損壞的可能性會增大，影響器件可靠性。第二，高的電流密度，更容易出現增益飽和現象，盡管低于激光雷達的實際工作電流，但是轉換效率和斜率效率也會受到影響。第三，高的填充因子，會降低器件串阻，可以為驅動電路板的電壓限制提供更大的空間。我們調整氧化孔徑的尺寸，臺面尺寸和發光陣列的周期，以實現高填充因子的VCSEL陣列版圖，如圖4c所示。圖4中，從a，b到c，填充因子依次分別為27.0%，42.0%和48.8%。

圖 4.填充因子優化機理。a）填充因子為27.0%的版圖設計，b）填充因子為42.0%的版圖設計，c）填充因子為48.8%的版圖設計。

流片工藝如圖5所示。

a. GaAs基底上的外延生長。

b. 背面Ti和SiN的應力補償。P型接觸金屬被沉積在p+金屬層的表面。

c. 干法刻蝕產生臺面。

d. 氧化爐管進行氧化工藝。

e. PECVD生長SiN鈍化層。

f. ICP-RIE刻蝕形成電流注入通孔。

g. 種子金沉積和金電鍍用于電流注入。

h. 研磨拋光襯底后，N型接觸金屬被沉積在N側。

圖 5.工藝流程圖。

我們針對5/6/8結的VCSEL陣列完成流片工藝。圖6給出了100Hz 10us脈沖電流驅動下的5/6/8結VCSEL陣列的對比。隨著更多結數的設計，斜率效率從4.9W/A，提升到5.9W/A，最終提升到8.3W/A，如圖6a所示。最大轉換效率從48.7%，提升到56.5%，最終提升到59.7%，如圖6b所示。

圖6.100Hz 10us脈沖電流驅動下的5/6/8結VCSEL陣列LI和PCE曲線。a）LI曲線，b）PCE曲線。

為了證明基于不同氧化層位置的發散角優化設計，我們增大了波導層厚度，保證氧化層和有源區的光學距離為0.25lambda，0.75lambda，和1.25lambda。如圖7所示，使用10kHz 10ns短脈沖測試條件，發散角分別優化至27.9°、26.6°和24.6°。

圖7.短脈沖驅動下不同氧化層位置對發散角的影響。

針對圖4中的a/b/c三種結構，我們進行了5結的VCSEL陣列流片。并根據不同的臺面尺寸實現不同的氧化孔徑。考慮到給定的VCSEL陣列布局，圖8a中給出了8um/10um/12um氧化孔徑下的LI曲線。在10kHz 10ns短脈沖測試條件下，使用小的氧化孔徑，如8um，由于相對較大的電流密度，斜率效率降低。另外，針對不同填充因子設計的A，B，C結構，其LI曲線如圖8b所示。在一定范圍內，斜率效率會隨著填充因子的提高而提高。

圖8.不同填充因子設計的LI性能對比。a）不同氧化孔徑尺寸下的LI曲線，b）不同填充因子版圖設計A、B、C的LI曲線。

綜合上述優化機理，我們實現了具有高功率密度、高斜率效率、低發散角的8結VCSEL陣列。其性能測試條件為10kHz 10ns短脈沖測試。如圖9a所示，15A的驅動電流下，輸出總功率為112W，功率密度超過1800W/mm2，轉換效率為21%。同時，其遠場分布圖如圖9c所示，發散角性能如圖9d所示，小于21°。

圖9.8結VCSEL陣列的短脈沖測試性能。a）LIV曲線，b）光譜曲線，c）遠場光斑的CCD圖像，d）遠場光斑強度分布。

考慮到納秒測試條件，器件的熱累積可以忽略。為了研究不同溫度下的陣列性能，我們使用了TEC提供從30C到80C的環境溫度。10kHz 10ns短脈沖測試中，LI、FF和光譜性能如圖10所示。圖10a展現了8結VCSEL陣列極高的穩定性。在工作條件15A下，其功率波動范圍小于8%，如圖10b所示。波長隨溫度漂移的曲線如圖10c所示，系數為0.07nm/C，如圖10d所示。

圖10. 8結VCSEL陣列的變溫性能。a）不同溫度下的LI曲線，b）功率隨溫度變化曲線，c）光譜隨溫度變化曲線，d）波長漂移與溫度關系。

目標激光雷達產品，圖11給出了6吋晶圓上能量轉換效率和波長分布的均勻性，顯示了蘇州長光華芯光電技術股份有限公司6吋生產線極好的量產控制能力。圖11a表明，超過95%的器件工作狀態下的能量轉換效率介于54%和58%之間。圖11b表明，超過95%的器件工作狀態下的波長分布介于935nm和945nm之間。

圖11.6吋晶圓VCSEL陣列的均勻性。a）PCE Map，b）波長Map。

本文設計并制造了用于激光雷達應用的高能量密度和低發散角的多結VCSEL陣列，優化后的最大能量轉換效率為59.7%，斜率效率8.3W/A。測試條件為100Hz 10us寬脈寬驅動。對于8結VCSEL陣列產品，10kHz 10ns短脈沖驅動15A的工作電流下，其功率密度高達1800W/mm2，發散角小于21°（1/e2）。針對波長、能量密度、發散角和其他主要性能參數，可以隨客戶需求進行定制服務。

致謝

作者感謝蘇州長光華芯光電技術股份有限公司VCSEL團隊在器件設計、流片工藝、封裝及測試方面的工作。

參考文獻