凌安恺-半导体激光器

凌安恺19820101152827GaN基垂直腔面发射激光器

GaNbasedVerticalCavitySurfaceEmittingLaser目录GaN基VCSEL简介GaN基VCSEL的研究进展GaN基VCSEL研制中的关键问题GaN基VCSEL的谐振腔结构设计与特性分析InGaN/GaN量子阱有源区的设计与分析简介由于在高密度光存储、激光显示、激光扫描、塑料光纤通信等领域巨大的应用前景和市场需求，近年来国际上围绕GaN

基半导体激光器研制和商品化的竞争日趋激烈。目前，GaN

基边发射激光器性能已经达到了实用化水平，而性能更为优良的垂直腔面发射激光器（VCSEL）尚处于紧张的研发阶段。GaN

基VCSEL是一种新型的微腔半导体激光器。与传统边发射激光器不同的结构带来了许多优势，使其在信息存储、激光显示、激光打印、照明等领域具有极为广阔的应用前景和巨大的市场价值。VCSEL原理示意图DBR激励能源（光泵、电泵）

DBR激光输出有源区

光学谐振腔L2008年，厦门大学张保平教授课题组成功研制室温光泵GaN基VCSEL。全介质膜DBR光泵VCSEL结构示意图厦门大学同期最好(台湾)阈值6.5mJ/cm2

7.8mJ/cm2

激射波长449.5nm448nm谱线半高宽<0.1nm0.17nm混合型DBR电泵VCSEL结构示意图阈值电流9.7mA电流密度12.4kA/cm2开启电压4.3V激射波长412nm谱线半高宽0.5nm2010年7月，室温下连续波激射电泵GaN基VCSEL由台湾交通大学卢廷昌研究小组研制成功。GaN基VCSEL的研究进展2008年2000年1995年光泵GaN基VCSEL诞生电泵GaN基共振腔发光二极管(RCLED)诞生世界首台电泵GaN基VCSEL1995年10月，美国ATMI公司利用MOCVD技术在蓝宝石衬底上外延生长了全氮化物DBR

GaN基VCSEL，首次实现了光泵浦条件下激射，激射波长363.5nm，阈值2.0MW/cm2。其顶部及底部反射镜分别由两组30周期个AlGaN/GaNDBR构成，有源区为10μm厚的GaN外延层。GaN基VCSEL的研究进展全氮化物DBRGaN基VCSEL结构示意图1999年底，美国Brown大学的Song等人利用晶片键合及激光剥离技术，实现了蓝宝石衬底的剥离，首次制作了全介质膜DBR

GaN

基VCSEL，并实现了光泵条件下低温（258K）准连续激射。由于该结构避免了生长氮化物DBR引起的裂纹以及有源区质量下降，并采用高反射率的SiO2/HfO2

介质膜DBR作为反射镜，其激射阈值大大降低，仅为10kW/cm2，光谱特性也得到了极大的改善。2005年，台湾交通大学的Kao等人利用MOCVD技术在蓝宝石衬底上外延生长了AlN/GaNDBR作为底部反射镜，并以Ta2O5/SiO2介质膜DBR作为顶部反射镜，实现了氮化物-介质膜DBR

GaN

基VCSEL光泵激射，激射波长448nm，阈值能量密度53mJ/cm2。2008年年初，台湾交通大学的王兴宗教授为首的研究小组成功研制出了世界上首台电泵蓝光GaN基VCSEL，从此翻开了GaN基VCSEL新的篇章。谐振腔为氮化物-介质膜DBR结构，底部反射镜为29对AlN/GaNDBR，顶部反射镜为Ta2O5/SiO2

DBR。为了避免微裂纹的产生，在AlN/GaNDBR生长过程中引入了AlN/GaN

超晶格结构以消除双轴拉伸应力的影响，最终形成了峰值反射99.4%，高反带带宽25nm的高质量氮化物DBR。在77K连续电注入条件下，其阈值电流密度为1.8kA/cm2，激射波长为462.8nm，注入电流为1.7Ith

时线宽为0.15nm。77k电泵GaN基VCSEL结构示意图2008年底，Nichia公司的研究人员在蓝宝石衬底上外延生长了VCSEL有源区结构，并利用键合及激光剥离技术制作了GaN

基VCSEL器件，首次实现了室温连续激射。器件的谐振腔为全介质膜DBR结构，有源区为两组InGaN/GaN

量子阱。其室温连续激射阈值电流研密度为13.9kA/cm2，激射波长为414.4nm，注入电流为1.1Ith

时线宽为0.03nm，在12mA电流条件下，其输出功率为0.14mW。该器件在室温连续工作时很容易老化，其性能尚需进一步提高。室温电泵GaN基VCSEL结构示意图2009

年初，Nichia公司又利用抛磨技术将GaN

衬底上生长的外延结构制成了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。其室温连续激射阈值与蓝宝石上生长的VCSEL相比略有升高，而其最高输出功率却达到了0.62mW，器件寿命也得到了大大提高，但工作一段时间后其阈值电流会升高。VCSEL因其结构特殊，具有许多边发射激光器难以比拟的优点，但是也有其困难需要克服。在制作过程中，不仅要制作高反射率的腔面反射镜，而且还要满足增益匹配条件。另外，还要解决载流子注入，电流限制以及散热等问题。对于GaN基VCSEL来说，由于材料体系的特殊性，这些问题显得尤为突出。GaN基VCSEL研制中的关键问题有源区与光场的耦合DBR高反带、增益谱和谐振模式的对准全氮化物

DBR谐振腔氮化物-介质膜DBR谐振腔全介质膜DBR谐振腔氮化物-介质膜DBR结构全介质膜DBR结构谐振腔结构增益匹配工艺难点GaN基VCSEL研制中的关键问题对于VCSEL的谐振腔，其品质因子的计算公式为：这一公式表明，腔品质因子Q不仅仅由DBR反射率决定，而且也与谐振腔长有关。然而VCSEL谐振腔长极短，并且有源区很薄，所以其单程增益很小，使得腔面反射镜的质量要求极高，需要达到99%以上。因此，制作高质量的谐振腔对于VCSEL来说至关重要。GaN基VCSEL谐振腔结构在GaN基光电子器件的制作中，目前反射镜有三种类型：第一种是直接采用金属来作为反射镜，比如利用Ag或Al来形成反射镜，但是金属反射镜在蓝光波长范围的反射率无法达到95%以上，因此要制作VCSEL金属反射镜是无法满足要求的。第二种是介质膜DBR，如Ta2O5/SiO2，TiO2/SiO2DBR等，其原理是利用两种折射率不同的材料，形成高、低折射率相间且每层光学厚度为1/4波长的薄膜。第三种是氮化物DBR，主要包括AlN/GaN，AlInN/GaN以及AlGaN/GaN三种类型。GaN基VCSEL谐振腔结构（a）全氮化物DBR（b）全介质膜DBR（c）氮化物-介质膜DBR全氮化物DBR谐振腔结构该结构不适合制作GaN基VCSEL器件，原因如下：在GaN材料体系中难以找到晶格常数较为匹配，并且折射率差较大的材料。这使得氮化物DBR至少需要生长30对以上才能达到99%的高反射率。而且在生长DBR时，两种材料之间存在着因晶格常数不匹配所引起的应力，这些应力必须适当地释放，否则积累到一定量时会以产生裂缝的方式来释放，这将导致薄膜的破裂，影响整个样品的完整性。p型GaN材料载流子密度不高，并且随着Al含量的增加，p型AlGaN实现变得更加困难，从而导致外延生长的氮化物DBR导电率极差，使得制作工艺变得复杂。用MBE或MOCVD生长DBR需要耗费大量时间，难以量产化。与全氮化物DBR谐振腔结构相比，该结构更适合于GaN基VCSEL。这是由于顶部采用介质膜DBR使制作成本及外延生长难度大大降低，并且介质膜优良的光学性质使整个谐振腔的性能得到了极大的提高，使激射阈值大为降低。与全介质膜DBR谐振腔结构相比，其优点是不需要键合及激光剥离工艺，腔长易于控制，后续制作工艺简单。因此，这一谐振腔结构是目前GaN基RCLED及VCSEL较为常用的结构之一。主要障碍：氮化物DBR生长重复性及均匀性差、有源区质量下降、增益匹配要求苛刻、散热差。氮化物-介质膜DBR谐振腔结构特点：介质膜一般采用蒸镀的方式来生长，材料选择性广，易于找到折射率差较大的两种材料来形成DBR，因而使用较少的层数，就可以得到很高的反射率和很宽的高反射带。SiO2、Ta2O5、TiO2、HfO2等材料在短波长范围的吸收系数很小，非常适合制作短波长DBR。介质膜DBR制作工艺成熟，价格便宜，并且易于后续加工。优点：不用生长氮化物DBR，有源区的晶体质高介质膜反射率极高，使谐振腔Q值高，器件阈值低高反带较宽，易实现增益匹配外延层可以转移到其它导热性好的衬底上，改善散热特性难点：解决键合及激光剥离过程中的一些技术难点。全介质膜DBR谐振腔结构GaN基VCSEL的增益匹配有源区与光场的耦合

VCSEL的光场是沿着材料的生长方向纵向传播，而有源区的在生长方向的厚度极为有限，每个量子阱总的厚度仅为10nm左右，所以在VCSEL谐振腔中薄的量子阱有源区一定要与驻波波腹交叠，以期获得最大的耦合效率，也即最大的光限制因子，从而降低激射阈值。DBR高反带、增益谱和谐振模式的对准。由于GaN系列材料增益谱较窄，而且无法进行湿法腐蚀，使腔长的精确控制难于实现，导致谐振模式调整困难。另外，在氮化物DBR构成的谐振腔中，还存在两种材料折射率差较小引起的DBR高反带较窄的问题。GaN基VCSEL的谐振模式及纵模间距左图为1λ腔长的GaN

基VCSEL反射谱。如图所示，在中心波长处存在一明显的谐振模式。由于腔长极短，所以在高反带内只观察到一个谐振模式。右图为4λ腔长的GaN

基VCSEL反射谱。由于腔长较长，在高反带内存在3个谐振模式。InGaN

/GaN

量子阱的发光波长及带宽理论上，通过调整量子阱中In的组分，可以实现增益波长的精确控制。然而，实际上由于量子限制斯塔克（QCSE）效应，在InGaN/GaN

量子阱中存在极强的压电和自发极化电场，使量子阱的能带发生倾斜。这种倾斜不仅使辐射复合几率下降，而且还会引起发光波长发生红移。

InGaN/GaN

量子阱能带图：InGaN/GaN

量子阱发光谱线很窄，即使在很大的电流下，其发光谱半高宽一般也小于20nm。而VCSEL较短的腔长使纵模间距增大，导致在整个增益谱波段内往往只有一个谐振模式。在此情况下，量子阱增益波长与谐振波长的对准显得异常困难。InGaN/GaN

量子阱发光谱线图GaN基VCSEL的工艺难点对于氮化物-介质膜DBR结构，其主要工艺难点在于高质量氮化物DBR的制作，高效量子阱有源区的生长以及增益匹配问题。目前，氮化物DBR主要采用两种类型。采用AlInN/GaNDBR。由于两种材料晶格匹配，DBR晶体质量得到了极大的改善。主要困难是在生长过程中由于Ga的掺入，难以得到三元的AlInN材料，并且由于折射率差较小，需要生长较多层数才能获得较高反射率。采用AlN/GaNDBR。通过在其中插入AlN/GaN超晶格应力释放层虽然可以提高晶体质量，获得无裂缝的AlN/GaN

DBR。但是，其较大的表面粗糙度（大于3nm，一般样品小于0.1nm）对于后续量子阱有源区的生长是非常不利的。在氮化物DBR生长过程中，由于通入大量的Al源，导致后续生长量子阱有源区时非故意掺入大量的Al，使有源区质量下降，波长发生偏移。要实现增益匹配，就必须生长出发光波长与DBR的高反射带相符合的量子阱有源区，也就是说量子阱的组分必需精确控制。然而，在实际中，由于气流以及生长温度的不均匀性，量子阱的组分的精确控制也很难实现。对于全介质膜DBR结构，需要利用键合及激光剥离技术在器件底部和顶部都蒸镀介质膜DBR，而到目前为止这两项技术尚未完全成熟，所以如何实现稳定的键合和激光剥离便成为这一结构关键的工艺难点。激光剥离工艺的主要挑战在于衬底剥离后表面的平整度及均匀性。激光能量、激光光斑、样品厚度以及键合的不均匀性都会影响激光剥离后样品表面的平整性。除此之外，GaN基VCSEL电极的制作、电流限制窗口形成、p型接触低阻化以及散热问题也是实现电泵激射的主要障碍。GaN基VCSEL的谐振腔结构设计与特性分析分布布拉格反射镜的设计与分析DBR的反射特性及透过特性可以利用光学传输矩阵方法计算。当光垂直入射时，多层膜系的光学导纳特征矩阵为：其中nj

和dj

分别为第j

层的折射率和厚度；ns

为衬底折射率；i为虚数因子；k为真空波数2π/λ利用光学传输矩阵方法可得中心波长在405nm的Ta2O5/SiO2DBR的反射谱。从上图可以看到，DBR存在一个高反带，随着对数N的增加，高反带越来越平直，高反带边的变化也越来越陡直，同时中心波长处反射率也逐渐增大。当N=8时，中心波长处的反射率已高达99.5%以上，反射带宽已达70nm。GaN基VCSEL的谐振腔结构设计与特性分析光从空气垂直入射的情况下，其中心波长λ0

对应的反射率R0

可以表示为其中，(2k+1)/2为DBR对数，ns为衬底折射率，nH和nL分别为高、低折射率层在中心波长处折射率，式中未计损耗的影响。由薄膜光学原理可知，在对数足够大的情况下，DBR反射带宽度仅与构成膜系的两种材料的折射率有关。高反带宽度可以表示为：由图可见，Ta2O5/SiO2