光激發(fā)藍(lán)紫光VCSEL技術(shù)

在氮化鎵藍(lán)光VCSEL發(fā)展方面，1996年Redwing等人成功制作了第一個(gè)室溫下光激發(fā)的氮化鎵VCSEL，其元件結(jié)構(gòu)由10μm厚的GaN主動(dòng)層與30對(duì)Al0.12Ga0.88N/Al0.4Ga0.6N構(gòu)成上下DBR，其反射率大約為84～93%，因此閾值光激發(fā)能量密度高達(dá)2.0MW/cm2。其后，Arakawa等人在1998年實(shí)現(xiàn)了在低溫77 K下觀(guān)察到雷射行為，其3λ光學(xué)厚度的共振腔成長(zhǎng)于35對(duì)Al0.34Ga0.66N/GaN DBR上，而上DBR則為6對(duì)的TiO2/SiO2所組成，此即為混合式DBR VCSEL結(jié)構(gòu)，其中上下DBR的反射率分別為97%與98%。而1999年Song等人則使用雷射剝離技術(shù)，成功制作了上下DBR皆為10對(duì)SiO2/HfO2所組成的氮化鎵VCSEL結(jié)構(gòu)，因此反射率高達(dá)99.9%，所對(duì)應(yīng)的共振腔Q值也高達(dá)600。同年，Someya等人報(bào)導(dǎo)了室溫下混合式DBR氮化鎵藍(lán)光VCSEL，在光激發(fā)下雷射波長(zhǎng)為399 nm，且雷射光譜半高寬只有0.1 nm。

上述氮化鎵VCSEL發(fā)展主要為2000年之前的結(jié)果，在2000年之后的發(fā)展主要集中在研究降低光激發(fā)的閾值能量密度，以及觀(guān)察光激發(fā)下的雷射特性。2005年，交通大學(xué)Kao等人利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)成功制作了室溫下光激發(fā)混合式DBR氮化鎵藍(lán)光VCSEL，其雷射結(jié)構(gòu)由25對(duì)AlN/GaN下DBR、3λ光學(xué)共振腔及8對(duì)的Ta2O5/SiO2上DBR所組成，如圖7-3所示。其中共振腔由10對(duì)的In0.2Ga0.8N/GaN多重量子井結(jié)構(gòu)所組成，而下DBR則每5對(duì)AlN/GaN插入5對(duì)的AlN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)以釋放應(yīng)力，其最大反射率分別為97.5%（Ta2O5/SiO2 DBR）與94%（AlN/GaN DBR）。為了進(jìn)一步觀(guān)察雷射特性，他們使用光激發(fā)光源為三倍頻之Nd:YVO4脈沖式雷射，雷射波長(zhǎng)為355 nm，圖7-4為雷射激發(fā)能量與VCSEL光輸出強(qiáng)度關(guān)系，由圖中可以發(fā)現(xiàn)明顯的光強(qiáng)度非線(xiàn)性轉(zhuǎn)折點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的閾值激發(fā)能量密度約為53 mJ/cm2。

至于上下DBR皆利用介電質(zhì)氧化物制作而成的氮化鎵VCSEL，交通大學(xué)Chu等人亦在2006年成功制作出此類(lèi)型的VCSEL，并在室溫光激發(fā)下觀(guān)察到雷射的現(xiàn)象。他們先利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)成長(zhǎng)10對(duì)In0.1Ga0.9N/GaN多量子井結(jié)構(gòu)，接著鍍上6對(duì)的SiO2/TiO2 DBR于磊晶結(jié)構(gòu)上，其反射率大約99.5%。再配合雷射剝離技術(shù)去除藍(lán)寶石基板與適當(dāng)?shù)难心ズ?，再鍍?對(duì)的SiO2/Ta2O5 DBR，其反射率約為97%，圖7-5為其制作流程示意圖。

圖7-6為室溫下量測(cè)雷射激發(fā)能量與VCSEL光輸出強(qiáng)度關(guān)系，當(dāng)雷射激發(fā)功率約為270nJ時(shí)可以觀(guān)察到雷射現(xiàn)象，其對(duì)應(yīng)的閾值光激發(fā)密度約為21.5 m.J/cm2。此外，由于利用雷射剝離技術(shù)時(shí)必須保留適當(dāng)?shù)墓舱袂缓穸纫员苊饬孔泳馐芨吣芰坷咨涞钠茐模虼艘苍斐烧w的共振腔厚度大約有4μm，這樣的厚度也反應(yīng)到光激發(fā)光譜上，如圖7-7所示，在達(dá)到雷射閾值激發(fā)密度之前，光譜中可以觀(guān)察到共振腔中的多重縱向模態(tài)，然而在激發(fā)能量達(dá)到雷射之后，只有單一縱向模態(tài)會(huì)產(chǎn)生雷射，其波長(zhǎng)通常落于主動(dòng)區(qū)增益頻譜的最大值附近。