凌安愷-半導(dǎo)體激光器

凌安愷19820101152827GaN基垂直腔面發(fā)射激光器

GaNbasedVerticalCavitySurfaceEmittingLaser目錄GaN基VCSEL簡介GaN基VCSEL的研究進展GaN基VCSEL研制中的關(guān)鍵問題GaN基VCSEL的諧振腔結(jié)構(gòu)設(shè)計與特性分析InGaN/GaN量子阱有源區(qū)的設(shè)計與分析簡介由于在高密度光存儲、激光顯示、激光掃描、塑料光纖通信等領(lǐng)域巨大的應(yīng)用前景和市場需求，近年來國際上圍繞GaN

基半導(dǎo)體激光器研制和商品化的競爭日趨激烈。目前，GaN

基邊發(fā)射激光器性能已經(jīng)達到了實用化水平，而性能更為優(yōu)良的垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）尚處于緊張的研發(fā)階段。GaN

基VCSEL是一種新型的微腔半導(dǎo)體激光器。與傳統(tǒng)邊發(fā)射激光器不同的結(jié)構(gòu)帶來了許多優(yōu)勢，使其在信息存儲、激光顯示、激光打印、照明等領(lǐng)域具有極為廣闊的應(yīng)用前景和巨大的市場價值。VCSEL原理示意圖DBR激勵能源（光泵、電泵）

DBR激光輸出有源區(qū)

光學(xué)諧振腔L2008年，廈門大學(xué)張保平教授課題組成功研制室溫光泵GaN基VCSEL。全介質(zhì)膜DBR光泵VCSEL結(jié)構(gòu)示意圖廈門大學(xué)同期最好(臺灣)閾值6.5mJ/cm2

7.8mJ/cm2

激射波長449.5nm448nm譜線半高寬<0.1nm0.17nm混合型DBR電泵VCSEL結(jié)構(gòu)示意圖閾值電流9.7mA電流密度12.4kA/cm2開啟電壓4.3V激射波長412nm譜線半高寬0.5nm2010年7月，室溫下連續(xù)波激射電泵GaN基VCSEL由臺灣交通大學(xué)盧廷昌研究小組研制成功。GaN基VCSEL的研究進展2008年2000年1995年光泵GaN基VCSEL誕生電泵GaN基共振腔發(fā)光二極管(RCLED)誕生世界首臺電泵GaN基VCSEL1995年10月，美國ATMI公司利用MOCVD技術(shù)在藍寶石襯底上外延生長了全氮化物DBR

GaN基VCSEL，首次實現(xiàn)了光泵浦條件下激射，激射波長363.5nm，閾值2.0MW/cm2。其頂部及底部反射鏡分別由兩組30周期個AlGaN/GaNDBR構(gòu)成，有源區(qū)為10μm厚的GaN外延層。GaN基VCSEL的研究進展全氮化物DBRGaN基VCSEL結(jié)構(gòu)示意圖1999年底，美國Brown大學(xué)的Song等人利用晶片鍵合及激光剝離技術(shù)，實現(xiàn)了藍寶石襯底的剝離，首次制作了全介質(zhì)膜DBR

GaN

基VCSEL，并實現(xiàn)了光泵條件下低溫（258K）準連續(xù)激射。由于該結(jié)構(gòu)避免了生長氮化物DBR引起的裂紋以及有源區(qū)質(zhì)量下降，并采用高反射率的SiO2/HfO2

介質(zhì)膜DBR作為反射鏡，其激射閾值大大降低，僅為10kW/cm2，光譜特性也得到了極大的改善。2005年，臺灣交通大學(xué)的Kao等人利用MOCVD技術(shù)在藍寶石襯底上外延生長了AlN/GaNDBR作為底部反射鏡，并以Ta2O5/SiO2介質(zhì)膜DBR作為頂部反射鏡，實現(xiàn)了氮化物-介質(zhì)膜DBR

GaN

基VCSEL光泵激射，激射波長448nm，閾值能量密度53mJ/cm2。2008年年初，臺灣交通大學(xué)的王興宗教授為首的研究小組成功研制出了世界上首臺電泵藍光GaN基VCSEL，從此翻開了GaN基VCSEL新的篇章。諧振腔為氮化物-介質(zhì)膜DBR結(jié)構(gòu)，底部反射鏡為29對AlN/GaNDBR，頂部反射鏡為Ta2O5/SiO2

DBR。為了避免微裂紋的產(chǎn)生，在AlN/GaNDBR生長過程中引入了AlN/GaN

超晶格結(jié)構(gòu)以消除雙軸拉伸應(yīng)力的影響，最終形成了峰值反射99.4%，高反帶帶寬25nm的高質(zhì)量氮化物DBR。在77K連續(xù)電注入條件下，其閾值電流密度為1.8kA/cm2，激射波長為462.8nm，注入電流為1.7Ith

時線寬為0.15nm。77k電泵GaN基VCSEL結(jié)構(gòu)示意圖2008年底，Nichia公司的研究人員在藍寶石襯底上外延生長了VCSEL有源區(qū)結(jié)構(gòu)，并利用鍵合及激光剝離技術(shù)制作了GaN

基VCSEL器件，首次實現(xiàn)了室溫連續(xù)激射。器件的諧振腔為全介質(zhì)膜DBR結(jié)構(gòu)，有源區(qū)為兩組InGaN/GaN

量子阱。其室溫連續(xù)激射閾值電流研密度為13.9kA/cm2，激射波長為414.4nm，注入電流為1.1Ith

時線寬為0.03nm，在12mA電流條件下，其輸出功率為0.14mW。該器件在室溫連續(xù)工作時很容易老化，其性能尚需進一步提高。室溫電泵GaN基VCSEL結(jié)構(gòu)示意圖2009

年初，Nichia公司又利用拋磨技術(shù)將GaN

襯底上生長的外延結(jié)構(gòu)制成了GaN

基VCSEL器件。由于材料的缺陷密度降低，器件的性能得到大幅度提高。其室溫連續(xù)激射閾值與藍寶石上生長的VCSEL相比略有升高，而其最高輸出功率卻達到了0.62mW，器件壽命也得到了大大提高，但工作一段時間后其閾值電流會升高。VCSEL因其結(jié)構(gòu)特殊，具有許多邊發(fā)射激光器難以比擬的優(yōu)點，但是也有其困難需要克服。在制作過程中，不僅要制作高反射率的腔面反射鏡，而且還要滿足增益匹配條件。另外，還要解決載流子注入，電流限制以及散熱等問題。對于GaN基VCSEL來說，由于材料體系的特殊性，這些問題顯得尤為突出。GaN基VCSEL研制中的關(guān)鍵問題有源區(qū)與光場的耦合DBR高反帶、增益譜和諧振模式的對準全氮化物

DBR諧振腔氮化物-介質(zhì)膜DBR諧振腔全介質(zhì)膜DBR諧振腔氮化物-介質(zhì)膜DBR結(jié)構(gòu)全介質(zhì)膜DBR結(jié)構(gòu)諧振腔結(jié)構(gòu)增益匹配工藝難點GaN基VCSEL研制中的關(guān)鍵問題對于VCSEL的諧振腔，其品質(zhì)因子的計算公式為：這一公式表明，腔品質(zhì)因子Q不僅僅由DBR反射率決定，而且也與諧振腔長有關(guān)。然而VCSEL諧振腔長極短，并且有源區(qū)很薄，所以其單程增益很小，使得腔面反射鏡的質(zhì)量要求極高，需要達到99%以上。因此，制作高質(zhì)量的諧振腔對于VCSEL來說至關(guān)重要。GaN基VCSEL諧振腔結(jié)構(gòu)在GaN基光電子器件的制作中，目前反射鏡有三種類型：第一種是直接采用金屬來作為反射鏡，比如利用Ag或Al來形成反射鏡，但是金屬反射鏡在藍光波長范圍的反射率無法達到95%以上，因此要制作VCSEL金屬反射鏡是無法滿足要求的。第二種是介質(zhì)膜DBR，如Ta2O5/SiO2，TiO2/SiO2DBR等，其原理是利用兩種折射率不同的材料，形成高、低折射率相間且每層光學(xué)厚度為1/4波長的薄膜。第三種是氮化物DBR，主要包括AlN/GaN，AlInN/GaN以及AlGaN/GaN三種類型。GaN基VCSEL諧振腔結(jié)構(gòu)（a）全氮化物DBR（b）全介質(zhì)膜DBR（c）氮化物-介質(zhì)膜DBR全氮化物DBR諧振腔結(jié)構(gòu)該結(jié)構(gòu)不適合制作GaN基VCSEL器件，原因如下：在GaN材料體系中難以找到晶格常數(shù)較為匹配，并且折射率差較大的材料。這使得氮化物DBR至少需要生長30對以上才能達到99%的高反射率。而且在生長DBR時，兩種材料之間存在著因晶格常數(shù)不匹配所引起的應(yīng)力，這些應(yīng)力必須適當(dāng)?shù)蒯尫牛駝t積累到一定量時會以產(chǎn)生裂縫的方式來釋放，這將導(dǎo)致薄膜的破裂，影響整個樣品的完整性。p型GaN材料載流子密度不高，并且隨著Al含量的增加，p型AlGaN實現(xiàn)變得更加困難，從而導(dǎo)致外延生長的氮化物DBR導(dǎo)電率極差，使得制作工藝變得復(fù)雜。用MBE或MOCVD生長DBR需要耗費大量時間，難以量產(chǎn)化。與全氮化物DBR諧振腔結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)更適合于GaN基VCSEL。這是由于頂部采用介質(zhì)膜DBR使制作成本及外延生長難度大大降低，并且介質(zhì)膜優(yōu)良的光學(xué)性質(zhì)使整個諧振腔的性能得到了極大的提高，使激射閾值大為降低。與全介質(zhì)膜DBR諧振腔結(jié)構(gòu)相比，其優(yōu)點是不需要鍵合及激光剝離工藝，腔長易于控制，后續(xù)制作工藝簡單。因此，這一諧振腔結(jié)構(gòu)是目前GaN基RCLED及VCSEL較為常用的結(jié)構(gòu)之一。主要障礙：氮化物DBR生長重復(fù)性及均勻性差、有源區(qū)質(zhì)量下降、增益匹配要求苛刻、散熱差。氮化物-介質(zhì)膜DBR諧振腔結(jié)構(gòu)特點：介質(zhì)膜一般采用蒸鍍的方式來生長，材料選擇性廣，易于找到折射率差較大的兩種材料來形成DBR，因而使用較少的層數(shù)，就可以得到很高的反射率和很寬的高反射帶。SiO2、Ta2O5、TiO2、HfO2等材料在短波長范圍的吸收系數(shù)很小，非常適合制作短波長DBR。介質(zhì)膜DBR制作工藝成熟，價格便宜，并且易于后續(xù)加工。優(yōu)點：不用生長氮化物DBR，有源區(qū)的晶體質(zhì)高介質(zhì)膜反射率極高，使諧振腔Q值高，器件閾值低高反帶較寬，易實現(xiàn)增益匹配外延層可以轉(zhuǎn)移到其它導(dǎo)熱性好的襯底上，改善散熱特性難點：解決鍵合及激光剝離過程中的一些技術(shù)難點。全介質(zhì)膜DBR諧振腔結(jié)構(gòu)GaN基VCSEL的增益匹配有源區(qū)與光場的耦合

VCSEL的光場是沿著材料的生長方向縱向傳播，而有源區(qū)的在生長方向的厚度極為有限，每個量子阱總的厚度僅為10nm左右，所以在VCSEL諧振腔中薄的量子阱有源區(qū)一定要與駐波波腹交疊，以期獲得最大的耦合效率，也即最大的光限制因子，從而降低激射閾值。DBR高反帶、增益譜和諧振模式的對準。由于GaN系列材料增益譜較窄，而且無法進行濕法腐蝕，使腔長的精確控制難于實現(xiàn)，導(dǎo)致諧振模式調(diào)整困難。另外，在氮化物DBR構(gòu)成的諧振腔中，還存在兩種材料折射率差較小引起的DBR高反帶較窄的問題。GaN基VCSEL的諧振模式及縱模間距左圖為1λ腔長的GaN

基VCSEL反射譜。如圖所示，在中心波長處存在一明顯的諧振模式。由于腔長極短，所以在高反帶內(nèi)只觀察到一個諧振模式。右圖為4λ腔長的GaN

基VCSEL反射譜。由于腔長較長，在高反帶內(nèi)存在3個諧振模式。InGaN

/GaN

量子阱的發(fā)光波長及帶寬理論上，通過調(diào)整量子阱中In的組分，可以實現(xiàn)增益波長的精確控制。然而，實際上由于量子限制斯塔克（QCSE）效應(yīng)，在InGaN/GaN

量子阱中存在極強的壓電和自發(fā)極化電場，使量子阱的能帶發(fā)生傾斜。這種傾斜不僅使輻射復(fù)合幾率下降，而且還會引起發(fā)光波長發(fā)生紅移。

InGaN/GaN

量子阱能帶圖：InGaN/GaN

量子阱發(fā)光譜線很窄，即使在很大的電流下，其發(fā)光譜半高寬一般也小于20nm。而VCSEL較短的腔長使縱模間距增大，導(dǎo)致在整個增益譜波段內(nèi)往往只有一個諧振模式。在此情況下，量子阱增益波長與諧振波長的對準顯得異常困難。InGaN/GaN

量子阱發(fā)光譜線圖GaN基VCSEL的工藝難點對于氮化物-介質(zhì)膜DBR結(jié)構(gòu)，其主要工藝難點在于高質(zhì)量氮化物DBR的制作，高效量子阱有源區(qū)的生長以及增益匹配問題。目前，氮化物DBR主要采用兩種類型。采用AlInN/GaNDBR。由于兩種材料晶格匹配，DBR晶體質(zhì)量得到了極大的改善。主要困難是在生長過程中由于Ga的摻入，難以得到三元的AlInN材料，并且由于折射率差較小，需要生長較多層數(shù)才能獲得較高反射率。采用AlN/GaNDBR。通過在其中插入AlN/GaN超晶格應(yīng)力釋放層雖然可以提高晶體質(zhì)量，獲得無裂縫的AlN/GaN

DBR。但是，其較大的表面粗糙度（大于3nm，一般樣品小于0.1nm）對于后續(xù)量子阱有源區(qū)的生長是非常不利的。在氮化物DBR生長過程中，由于通入大量的Al源，導(dǎo)致后續(xù)生長量子阱有源區(qū)時非故意摻入大量的Al，使有源區(qū)質(zhì)量下降，波長發(fā)生偏移。要實現(xiàn)增益匹配，就必須生長出發(fā)光波長與DBR的高反射帶相符合的量子阱有源區(qū)，也就是說量子阱的組分必需精確控制。然而，在實際中，由于氣流以及生長溫度的不均勻性，量子阱的組分的精確控制也很難實現(xiàn)。對于全介質(zhì)膜DBR結(jié)構(gòu)，需要利用鍵合及激光剝離技術(shù)在器件底部和頂部都蒸鍍介質(zhì)膜DBR，而到目前為止這兩項技術(shù)尚未完全成熟，所以如何實現(xiàn)穩(wěn)定的鍵合和激光剝離便成為這一結(jié)構(gòu)關(guān)鍵的工藝難點。激光剝離工藝的主要挑戰(zhàn)在于襯底剝離后表面的平整度及均勻性。激光能量、激光光斑、樣品厚度以及鍵合的不均勻性都會影響激光剝離后樣品表面的平整性。除此之外，GaN基VCSEL電極的制作、電流限制窗口形成、p型接觸低阻化以及散熱問題也是實現(xiàn)電泵激射的主要障礙。GaN基VCSEL的諧振腔結(jié)構(gòu)設(shè)計與特性分析分布布拉格反射鏡的設(shè)計與分析DBR的反射特性及透過特性可以利用光學(xué)傳輸矩陣方法計算。當(dāng)光垂直入射時，多層膜系的光學(xué)導(dǎo)納特征矩陣為：其中nj

和dj

分別為第j

層的折射率和厚度；ns

為襯底折射率；i為虛數(shù)因子；k為真空波數(shù)2π/λ利用光學(xué)傳輸矩陣方法可得中心波長在405nm的Ta2O5/SiO2DBR的反射譜。從上圖可以看到，DBR存在一個高反帶，隨著對數(shù)N的增加，高反帶越來越平直，高反帶邊的變化也越來越陡直，同時中心波長處反射率也逐漸增大。當(dāng)N=8時，中心波長處的反射率已高達99.5%以上，反射帶寬已達70nm。GaN基VCSEL的諧振腔結(jié)構(gòu)設(shè)計與特性分析光從空氣垂直入射的情況下，其中心波長λ0

對應(yīng)的反射率R0

可以表示為其中，(2k+1)/2為DBR對數(shù)，ns為襯底折射率，nH和nL分別為高、低折射率層在中心波長處折射率，式中未計損耗的影響。由薄膜光學(xué)原理可知，在對數(shù)足夠大的情況下，DBR反射帶寬度僅與構(gòu)成膜系的兩種材料的折射率有關(guān)。高反帶寬度可以表示為：由圖可見，Ta2O5/SiO2