面射型雷射初期的研發(fā)進(jìn)展

早期面射型雷射由于半導(dǎo)體磊晶技術(shù)簡(jiǎn)在發(fā)展初期階段，因此還無(wú)法直接成長(zhǎng)反射率符合雷射操作需求的全磊晶導(dǎo)體分布布拉格反射器，以Iga教授團(tuán)隊(duì)所發(fā)表的最早電激發(fā)光VCSEL元件為例，所采用的共振腔反射鏡面由金和二氧化矽材料所組成［21］，由于該結(jié)構(gòu)反射率和電流局限能力較差，因此達(dá)到雷射增益所需的電流值較高，閾值電流大小為510mA。稍后該團(tuán)隊(duì)采用圓形埋入式異質(zhì)接面結(jié)構(gòu)（circularburied heterostructure，CBH），并采用TiO2/SiO2做為其中一側(cè)的反射鏡，由于埋入式結(jié)構(gòu)可以改善載子注入和局限能力同時(shí)也提供光子局限的折射率波導(dǎo)效果，而且TiO2/SiO2折射率差異△n超過(guò)1，因此只要鍍上少數(shù)幾個(gè)周期就可以獲得相當(dāng)高的反射率，綜合上述的結(jié)構(gòu)與制程改善，所制作的VCSEL共振腔長(zhǎng)度為7μm，在室溫下脈沖操作間值電流大小降低至6mA，如果在液態(tài)氮冷卻至77K環(huán)境下甚至可以進(jìn)一步降低到4.5mA且連續(xù)波操作。［22］

兩年后Iga教授團(tuán)隊(duì)改采用MOCVD磊晶成長(zhǎng)技術(shù)，首次成功達(dá)成室溫下連續(xù)波操作的紀(jì)錄，該元件發(fā)光層厚度為2.5μm，整體共振腔長(zhǎng)度為5.5μm，上方的分布布拉格反射器同樣采用5對(duì)的TiO2/SiO2做為反射鏡，下方則采用Au/SiO2/TiO2/SiO2，并借由MOCVD二次成長(zhǎng)埋入式結(jié)構(gòu)來(lái)做為注入載子局限方法，所制作的元件在室溫下操作閾值電流值約為28~40mA，最大輸出功率可達(dá)12mW。由于共振腔長(zhǎng)度縮短，因此該元件可以發(fā)出單一縱模波長(zhǎng)為894nm，旁模抑制比（side mode suppression ratio, SMSR）可以達(dá)到35dB，同時(shí)觀察其近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)光圖案可以發(fā)現(xiàn)元件也操作在單一橫模，光束為圓形對(duì)稱直徑約4μm，半高寬（full width at half maximum, FWHM）發(fā)散角為13°。［23］

由于采用介電質(zhì)材料或金屬制作面射型雷射反射鏡制程相對(duì)復(fù)雜，特別是在制作電激發(fā)光面射型雷射時(shí)，因?yàn)橐话憬殡娰|(zhì)材料能隙寬度大通常是絕緣體，因此需要采用特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)導(dǎo)通電流，如果能在面射型雷射磊晶同時(shí)就直接成長(zhǎng)半導(dǎo)體DBR，除了厚度可以更精確控制以外，也有機(jī)會(huì)可以借由摻雜方式成長(zhǎng)可以導(dǎo)電的DBR，簡(jiǎn)化電激發(fā)光面射型雷射的制程步驟，在1988年時(shí)AT&T Bel Lab 卓以和士所帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)就利用MBE系統(tǒng)成長(zhǎng)全磊晶結(jié)構(gòu)VCSBL元件，其結(jié)構(gòu)主要包含22或23對(duì)的AlAS/Al0.1Ga0.9As n型摻雜（Si，5X1017cm-3）DBR以及5對(duì)Al0.7Ga0.3As/Al0.1Ga0.9As P型摻雜（Be，1019cm-3）DBR，每層DBR厚度均為發(fā)光波長(zhǎng)的四分之一，同時(shí)摻雜濃度相當(dāng)高因此導(dǎo)電率也較好，由于p型DBR對(duì)數(shù)較少因此會(huì)在元件制程中額外鍍金屬（銀或金）形成混成式反射鏡（hybrid metal-DBR reflector），除了可以有效提高反射率同時(shí)也可以做為電流注入的電極。同時(shí)該團(tuán)隊(duì)也首次采用氧離子布植做為電流局限方法，因此元件除了可以在室溫下連續(xù)波操作，臨界電流大小在脈沖操作時(shí)為26mA連續(xù)波操作時(shí)為40mA，且元件串聯(lián)電阻僅為30Ω。［24］［25］

同屬Bell Lab.的研究團(tuán)隊(duì)的J.L.Jewell等人也在1989年利用蝕刻方式制作微柱狀結(jié)構(gòu)面射型雷射，圓柱狀結(jié)構(gòu)直徑從1微米、1.5微米、2微米、3微米、4微米到5微米，蝕刻深度5.5微米，方形柱狀結(jié)構(gòu)邊長(zhǎng)5微米、10微米、25微米、50微米、100微米與200微米也同樣被制作在砷化鎵基板上，最大元件密度可以高達(dá)每平方公分200萬(wàn)顆面射型雷射元件，在典型的7×8 mm樣品上包含超過(guò)100萬(wàn)顆。該研究最大貢獻(xiàn)除了展現(xiàn)高密度面射型雷射陣列的可行性以外，同時(shí)也采用厚度10nm的In0.2Ga0.8As單一量子井 （single quantum well, SQW）和每層厚度8nm的三重量子井（triple quantum wells，3QW）結(jié)構(gòu)取代原本的雙異質(zhì)接面結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升面射型雷射載子局限能力與量子效率，同時(shí)由于在砷化鎵材料中添加銦可以使能隙大小降低，因此元件發(fā)光波長(zhǎng)變?yōu)?60～980nm［26］［27］，介于磷化銦系列材料的1.3微米長(zhǎng)波長(zhǎng)范圍和砷化鎵材料的850nm之間，而且砷化銦鎵材料通常具有較高增益，因此往后經(jīng)常被用于制作高功率雷射二極體做為其他固態(tài)雷射或光纖雷射激發(fā)光源用途。

由于Bell Lab.團(tuán)隊(duì)成功的制作全磊晶面射型雷射元件并且證實(shí)可以在室溫下連續(xù)波操作，此后面射型雷射的發(fā)展大多采用磊晶成長(zhǎng)方式沉積包含上下DBR和主動(dòng)發(fā)光層，而發(fā)光波長(zhǎng)也由最早的磷化銦系列材料1.3微米范圍，縮短為采用砷化鎵系列材料的850nm，在砷化鎵材料中添加鋁可以進(jìn)一步提高其能隙大小縮短發(fā)光波長(zhǎng)，但是鋁含量如果超過(guò)0.45莫耳分率的話，該砷化鋁鎵材料能帶結(jié)構(gòu)會(huì)由直接能隙轉(zhuǎn)變?yōu)殚g接能隙，反而抑制發(fā)光效率，因此要如何再進(jìn)一步將面射型雷射發(fā)光波長(zhǎng)推進(jìn)到可見(jiàn)光波段就成為1990年代起各大研究機(jī)構(gòu)與相關(guān)產(chǎn)業(yè)的研發(fā)重點(diǎn)。上述采用量子井結(jié)構(gòu)制作面射型雷射的Bell Lab.團(tuán)隊(duì)成員Y.H. Lee和B. Tell等人在1991年時(shí)將發(fā)光層材料改為Al0.14G0.86As超晶格（superlattice） 結(jié)構(gòu)，借由MBE成長(zhǎng)的該超晶格結(jié)構(gòu)由14對(duì)交錯(cuò)排列的GaAs層（厚度33.9A）和AlAs層（厚度5.7A）所組成，光激發(fā)光頻譜波長(zhǎng)為771nm，而且具有比直接磊晶成長(zhǎng)Al0.14G0.86As晶體更高的光激發(fā)光強(qiáng)度［28］。所制作的元件利用離子布植法制作電流孔徑分別為直徑10微米和15微米兩種尺寸的元件，在室溫下均可連續(xù)波操作，其閾值電流大小分別為4.6mA和6.3mA，室溫下操作未加散熱情況下最大輸出功率為1.1mW，這個(gè)發(fā)光波長(zhǎng)也是后來(lái)光碟機(jī)和CD雷射讀寫(xiě)頭最早采用的波段。