近年來，隨著激光雷達（LiDAR）技術的發展，VCSEL陣列光源，由於(yu) 其低製造成本、小溫漂係數、易於(yu) 二維集成的優(you) 勢，越來越受到激光雷達應用市場的關(guan) 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(chan) 品實現更高效率、更高功率密度的關(guan) 鍵。其次，使用特殊的結構設計，如優(you) 化氧化層的位置、厚度、Al組分，發散角性能可以進一步優(you) 化。最後，更高的填充因子意味著更小的芯粒麵積，也有利於(yu) 更高的輸出功率密度。考慮到納秒級的短脈衝(chong) 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於(yu) 提高填充因子。

本文中，通過優(you) 化外延結構設計和製造工藝的VCSEL陣列可以實現高功率密度和低發散角。在晶圓級100Hz 10us的寬脈衝(chong) 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短脈衝(chong) 測試條件下，VCSEL陣列可以實現高於(yu) 110W的峰值功率輸出，對應的功率密度高於(yu) 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(wei) 是智能駕駛、3D傳(chuan) 感等領域最重要的探測技術之一。隨著探測距離的增加，點雲(yun) （Point Cloud）密度隨之降低，分辨率也會(hui) 受到限製。為(wei) 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。使用納秒級短脈衝(chong) 測試，具有小發散角的多結VCSEL陣列為(wei) 激光雷達的應用提供了一個(ge) 極佳的平台。基於(yu) 此理念，我們(men) 設計並製造了世界領先的多結VCSEL陣列（5/6/8結），並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(wei) 常規，右為(wei) 更高功率密度、更小發散角優(you) 化結果。

為(wei) 了提高能量轉換效率（PCE）和斜率效率（SE），通過多個(ge) 有源區的堆疊，可以增大器件的增益體(ti) 積。我們(men) 的多結結構設計中，利用了低串阻、低吸收的隧道結設計，並利用了外延層厚度精準控製技術實現增益介質與(yu) 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。

對於(yu) 傳(chuan) 統的多結VCSEL陣列，發散角會(hui) 隨著隧道結和量子阱數量的增多而變大。基於(yu) 文獻報道和我們(men) 的仿真實驗結果，VCSEL陣列的發散角會(hui) 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(chuan) 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(hui) 發生變化。盡量擴大基橫模的占比，有利於(yu) 發散角的優(you) 化。

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

填充因子定義(yi) 為(wei) 總發光窗口麵積除以總發光麵積。總發光窗口麵積取決(jue) 於(yu) 每個(ge) 發光孔的氧化孔徑，總發光麵積取決(jue) 於(yu) 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是總發光麵積的長，A_w是總發光麵積的寬。

公式2

其中J是電流密度，I_o是工作電流。

從(cong) 公式1和2可知，對於(yu) 給定的總發光麵積，低的填充因子會(hui) 導致較高的電流密度，會(hui) 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(hui) 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，盡管低於(yu) 激光雷達的實際工作電流，但是轉換效率和斜率效率也會(hui) 受到影響。第三，高的填充因子，會(hui) 降低器件串阻，可以為(wei) 驅動電路板的電壓限製提供更大的空間。我們(men) 調整氧化孔徑的尺寸，台麵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(cong) a，b到c，填充因子依次分別為(wei) 27.0%，42.0%和48.8%。

圖 4.填充因子優(you) 化機理。a）填充因子為(wei) 27.0%的版圖設計，b）填充因子為(wei) 42.0%的版圖設計，c）填充因子為(wei) 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. 背麵Ti和SiN的應力補償(chang) 。P型接觸金屬被沉積在p+金屬層的表麵。

c. 幹法刻蝕產(chan) 生台麵。

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於(yu) 電流注入。

h. 研磨拋光襯底後，N型接觸金屬被沉積在N側(ce) 。

圖 5.工藝流程圖。

我們(men) 針對5/6/8結的VCSEL陣列完成流片工藝。圖6給出了100Hz 10us脈衝(chong) 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(cong) 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(cong) 48.7%，提升到56.5%，最終提升到59.7%，如圖6b所示。

圖6.100Hz 10us脈衝(chong) 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(wei) 了證明基於(yu) 不同氧化層位置的發散角優(you) 化設計，我們(men) 增大了波導層厚度，保證氧化層和有源區的光學距離為(wei) 0.25lambda，0.75lambda，和1.25lambda。如圖7所示，使用10kHz 10ns短脈衝(chong) 測試條件，發散角分別優(you) 化至27.9°、26.6°和24.6°。

圖7.短脈衝(chong) 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(men) 進行了5結的VCSEL陣列流片。並根據不同的台麵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短脈衝(chong) 測試條件下，使用小的氧化孔徑，如8um，由於(yu) 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。在一定範圍內(nei) ，斜率效率會(hui) 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(you) 化機理，我們(men) 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(wei) 10kHz 10ns短脈衝(chong) 測試。如圖9a所示，15A的驅動電流下，輸出總功率為(wei) 112W，功率密度超過1800W/mm2，轉換效率為(wei) 21%。同時，其遠場分布圖如圖9c所示，發散角性能如圖9d所示，小於(yu) 21°。

圖9.8結VCSEL陣列的短脈衝(chong) 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(wei) 了研究不同溫度下的陣列性能，我們(men) 使用了TEC提供從(cong) 30C到80C的環境溫度。10kHz 10ns短脈衝(chong) 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，其功率波動範圍小於(yu) 8%，如圖10b所示。波長隨溫度漂移的曲線如圖10c所示，係數為(wei) 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(yu) 溫度關(guan) 係。

目標激光雷達產(chan) 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(chan) 線極好的量產(chan) 控製能力。圖11a表明，超過95%的器件工作狀態下的能量轉換效率介於(yu) 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於(yu) 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。

本文設計並製造了用於(yu) 激光雷達應用的高能量密度和低發散角的多結VCSEL陣列，優(you) 化後的最大能量轉換效率為(wei) 59.7%，斜率效率8.3W/A。測試條件為(wei) 100Hz 10us寬脈寬驅動。對於(yu) 8結VCSEL陣列產(chan) 品，10kHz 10ns短脈衝(chong) 驅動15A的工作電流下，其功率密度高達1800W/mm2，發散角小於(yu) 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製服務。

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、封裝及測試方麵的工作。

參考文獻