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可见光面射型雷射
来源: | 作者:LiLi | 发布时间: 2024-12-10 | 61 次浏览 | 分享到:

若要将面射型雷射应用到光资讯领域相关应用,例如光碟机读写头或塑胶光纤(plastic optical fiber, POF)主动光源,那么发光波长进一步缩短到可见光范围相当必要,以红光为例,用来制作光碟机读写头的话其资讯储存密度可以比780nm 红外光雷射还要高出数倍,也就是同样面积的光碟片可以储存数倍的资讯;而应用在塑胶光纤的话也可以获得较低的传输损耗,如下图1-9所示,典型的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)塑胶光纤与玻璃光纤不同,在可见光红光 650nm、黄光570nm 与蓝绿光500nm波段耗损率均比红外光波段还要低,采用可见光雷射光源可以获得较远的讯号传输距离,因此在1990年代起面射型雷射研究重点往较短波长的可见光频谱范围推进也就成为必然的趋势。最早报导红光波段面射型雷射的文献是1992年Bell Lab.的B. Tell 团队延续上述发光波长 770nm 类似结构,主要差别在于发光层的超晶格结构等效组成(equivalentcomposition)由Al0.14G0.86As 变为 Al0.4G0.6As(由12 对厚度分别为25.4A的GaAs层和17.0A的AlAs层所组成),光激发光频谱理论峰值波长为645nm,下方30对n型DBR(Si掺杂浓度3×1018cm-3)与上方22对p型DBR(Be 掺杂浓度2 ×1018cm-3)均由430A 厚的Al0.3Ga0.7As和490A厚的AIAs组成,Al0.3Ga0.7As和 AlAs 之间的介面处有80A的Al0.65Ga0.35As 渐变层以降低介面串联电阻。整体元件的反射率频谱具有 Fabry-Perot 共振腔模态波长为699nm,也就是最后元件实际发光波长,该元件可以在室温下脉冲电流操作,阈值电流 为 10mA[29]。

如前所述,如果要再进一步缩短发光波长到650nm 左右的话,采用AlGaAs材料作为活性原则其中铝含量莫耳分率势必会接近 0.45,造成直接能隙与间接能际的转丰导致发光效率急边下降,因此如果要制作650nm 甚至 635nm 的红光面射型雷射,势必要采用其他材料才能获得比较好的发光效率。因此在 1992年美国 Sandia 国家实验室”J.A.Lott 和 R. P. Schneider 的团队利用低压有机金属气相磊晶设备(low pressure metalorganicvapor phase epitaxy, LPMOVPE)成长 In0.54Ga0.46P/In0.48(Al0.7Ga0.3)0.52P 应变量子井活性层(strained quantum well active region)作为发光区材料,上下 DBR 则分别由30对和40对四分之一波长厚度的Al0.5Ga0.5As/AlAs 交错排列组成,该面射型雷射可以在室温下以光激发光操作,发光波长为657nm[30]。随后在1993年发表的论文中[31],他们同样采用砷化镓基板成长55.5 对n型DBR(Si 掺杂浓度2×1018cm-3)和36对p型DBR(C掺杂浓度 4×1018cm-3),每一对 DBR 由四分之一波长厚度的Al0.5Ga0.5As/AlAs交错排列组成且介面处为10nm 厚铝含量莫耳分率 0.75 的渐变层,以减低 DBR的串联电组。发光区厚度为8 倍发光波长(8入 cavity),主要由InAlGaP 组成的步进式渐变能障分布局限异质接面结构(step graded-barrier separate confinement heterostructure, SCH)包围着中央三层厚度各为 10nm 的InGaP 应变量子井结构所组成,元件经过 BCl3电频蚀刻形成直径20微米柱状结构并完成上下金属电极制作后,可以在室温下脉冲电激发光操作,发光波长在639~661nm 之间,发光波长650nm 的元件阈值电流大小为30mA,最高输出功率超过3.3mW且远场发散角仅为 6.5°。

台湾交通大学黄凯风教授和戴国仇教授的研究团队也在1993年发表红光面射型雷射电激发光的成果[32],该团队同样采用MOCVD成长磊晶结构,发光层由四对In0.5Ga0.5P(80A)/In0.5Al0.35Ga0.15P(60A)量子井结构所组成且位于等效1个波长厚度的共振腔(1入cavity)中央位置,上下 DBR 分别为30对zn 掺杂(p型)和40对Si掺杂(n型)的Al0.5Ga0.5As/Al0.75Ga0.25As/AlAs /Al0.75Ga0.25As依序交错排列组成,每层厚度分别为375A100A435A100A,基本上与 Sandia 国家实验室采用的渐变介面以降低 DBR 串联电阻的材料组成相同。主要差异在于元件制程中电流局限方式改用离子布植法并采用化学湿式蚀刻对不同元件之间作电性隔绝。所制作的元件可以在较低温操作环境下连续波电激发光,发光波长为660nm,元件发光区直径15微米的元件在摄氏零下75度时间值电流值3.9mA,操作温度摄氏零下25度时阈值电流值为4.6mA,同时也可以在室温下操作但是仅能以脉冲方式电激发光,在摄氏25度时脉冲操作阈值电流值为12mA,远场发散角为7.5°。

在1993年 Sandia 国家实验室 R. P. Schneider 和 K. D. Choquette 等人与新墨西哥大学研究团队合作首次达成室温下电激发光连续波操作的670nm 红光面射型雷射[33][34],借由 LPMOVPE 成长的元件磊晶结构大致上与先前所述类似,包含上下DBR组成、对数和活性层厚度同样均为8入,但是活性层主要增益材料变成3层 Ga1-xInP 应变量子井被6nm 厚的Al0.25Ga0.25In0.5P能障层区隔开。元件制程与先前最显著差异在于采用质子布植定义电流局限孔径(直径控制在10~25微米),再利用电浆干式蚀刻成125×75微米的个别元件以获得电性隔绝。由于离子布植的平面化制程与先前蚀刻成20微米柱状结构相较之下保留较多可以协助散热的半导体材料,因此元件在电流注入操作过程中产生的热可以较快逸散至发光区以外,让元件可以在室温下达到连续波操作的成果,电流孔径10微米的元件阈值电流值为1.25mA,最大输出功率为0.33mW,直到摄氏45度仍然可以连续波操作。同一团队稍后在1995年时进一步采用1994年由 D.L. Huffaker 首先应用到面射型雷射元件制程的选择性氧化电流局限技术[35],所制作的AlGaInP 面射型雷射发光波长范围从678nm 到 642nm,不但可以在室温下连续波操作,同时最低阈值电流值仅为660μAI36],这个成功的制程技术演进也加速了面射型雷射从学术研究走向商品化量产应用的过程,上述的蚀刻柱状结构、离子布植法以及选择性氧化电流局限将会在后面章节中更详细介绍。

在90年代中期850nm 面射型雷射制程相对成熟且成功商品化之后,研究单位开始回过头来针对长波长(发光波长大于1微米)的面射型雷射元件制程技术及材料进行研究,同时由于更短波长的化合物半导体发光元件及材料陆续被成功开发出来,包含II-VI 族化合物半导体 ZnSe 系列材料和 II-V 族化合物半导体GaN等蓝光、绿光发光元件的研究成果,均启发了研究人员探讨采用这些材料制作更短波长可见光面射型雷射的可能性。