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电激发式蓝紫光 VCSEL
来源: | 作者:LiLi | 发布时间: 2025-02-17 | 240 次浏览 | 分享到:

上述实验结果为近年来局限在光激发的氮化镓 VCSEL 的结果,一直到2008年,作者实验室首次在77 K 下成功制作出第一个电激发氮化镓VCSEL,其雷射结构为混合式DBR VCSEL 结构,如图7-8所示。下DBR 29  AlN/GaN DBR,之后成长790nm型氮化镓与 10对的In0.2Ga0.8N/GaN 多量子井结构,最后成长120nm p型氮化镓,整体共振腔厚度约5λ,其波长设计在460nm,这是为了避免表面透明导电层铟锡氧化物(ITO)对光的吸收。完成磊晶成长与ITO 之后,最后镀上8对的Ta2O5/SiO2 DBR形成混合式 DBR VCSEL 结构。由于雷射结构中的 AIN/GaN  DBR为未掺杂,故为不导电材料,因此必须将元件设计成 intra cavity 结构,使型与型电极在元件同一侧,雷射发光孔径为 10μmITO 厚度设计为1λ使其在波长460 nm 之穿透率高达98.6%

 7-9a 29 AIN/GaN DBR 8Ta2O5/SiODBR之反射频谱图,其中平坦的禁止带表示了高品质的AIN/GaN DBR 结构,其最高反射率约为 99.4%且禁止带宽度约为25 nm,而上 DBR 最高反射率约为99%。图7-9b)为室温下利用 He-Cd雷射激发的光激发频谱,共振腔波长约为 454.3 nm Q值可高达2200,再次表示了高品质的晶体结构与上下DBR 的高反射率。

 7-10 为电激发氮化镓 VCSEL 77 K 下量测的电流、电压与输出强度关系图,元件的起始电压(turn-on voltage)约为4.1 V,相对高的电压值可能由于微小的电流孔径与intra cavity 结构所致。而电流与发光强度的关系可观察到明显的雷射现象,其雷射阈值电流约为 1.4mA,所对应的电流密度约为1.8 kA/cm2。图7-11 为不同注入电流下之雷射频谱图,当注入电流大于阈值电流时,波长在462.8 nm 出现单一的雷射讯号。图7-11中的插图为不同注入电流下的讯号半高宽值,可以发现在阈值电流之后讯号半高宽明显下降,另一张插图显示注入电流为1mA 下之元件孔径强度分布图,图中可以观察到空间上强度分布的不均匀,有可能是铟在空间上的分布不均所导致。

除了上述低温下电激发的氮化镓 VCSEL 之外,在2008年末,Nichia公司发表了室温下连续操作的氮化镓VCSEL,其雷射结构是利用雷射剥离技术制作而成的上下介电质 DBR 结构,主动层是由2InGaN/GaN 多量子井结构所组成,上下 DBR 分别为7对与 11.5 对的SiO2/Nb2ODBR,其中ITO 配合共振腔中的光场分布设计在光学驻波的节点上,而在共振腔厚度方面,他们更利用化学机械研磨技术(chemical-mechanical polishingCMP)将型氮化镓的厚度减薄,使整体共振腔厚度只有约1.1 μm,相当于7倍的光学波长厚度。其雷射的阈值电流约为7 mA,对应的电流密度约为 13.9kA/cm2,起始电压约为4.3 V,当注入电流为12 mA 时对应的雷射功率为0.14mW。观察其不同注入电流下之发光频谱图,当注入电流小于阈值电流时,可以明显看到高阶横向模态的分布,且讯号半高宽约为 0.11 nm,而当注入电流为1.1倍的阈值电流时,雷射讯号波长为414.4 nm 且半高宽变窄为 0.03 nm。他们进一步观察μm电流孔径之近场影像,可以发现当注入电流为0.6倍的阈值电流时,发光强度均匀地涵盖整个雷射孔径,而当达到阈值电流之后,一个直径大约2μm的亮点出现在靠近孔径中心的位置,表示雷射光点大小会小于电流孔径。

虽然于2008年研究群成功实现了低温下与室温下氮化镓 VCSEL 的结果,然而氮化镓 VCSEL 目前仍需面临许多挑战,包含电流分布的改善、输出功率的提升、雷射模态的控制以及元件生命期长短等。这些问题都是将蓝光氮化镓 VCSEL 进一步推向商品化之前必须努力的目标。