電激發(fā)式藍紫光垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)

上述實驗結(jié)果為近年來局限在光激發(fā)的氮化鎵VCSEL的結(jié)果，一直到2008年，作者實驗室首次在77 K下成功制作出第一個電激發(fā)氮化鎵VCSEL，其雷射結(jié)構(gòu)為混合式DBR VCSEL結(jié)構(gòu)，如圖7-8所示。下DBR為29對AlN/GaN DBR，之后成長790nm的n型氮化鎵與10對的In0.2Ga0.8N/GaN多量子井結(jié)構(gòu)，最后成長120nm的p型氮化鎵，整體共振腔厚度約5λ，其波長設(shè)計在460nm，這是為了避免表面透明導(dǎo)電層銦錫氧化物（ITO）對光的吸收。完成磊晶成長與ITO之后，最后鍍上8對的Ta2O5/SiO2上DBR形成混合式DBR VCSEL結(jié)構(gòu)。由于雷射結(jié)構(gòu)中的AIN/GaN下DBR為未摻雜，故為不導(dǎo)電材料，因此必須將元件設(shè)計成intra cavity結(jié)構(gòu)，使n型與p型電極在元件同一側(cè)，雷射發(fā)光孔徑為10μm，ITO厚度設(shè)計為1λ使其在波長460 nm之穿透率高達98.6%。

圖7-9（a）為29對AIN/GaN DBR與8對Ta2O5/SiO2DBR之反射頻譜圖，其中平坦的禁止帶表示了高品質(zhì)的AIN/GaN DBR結(jié)構(gòu)，其最高反射率約為99.4%且禁止帶寬度約為25 nm，而上DBR最高反射率約為99%。圖7-9（b）為室溫下利用He-Cd雷射激發(fā)的光激發(fā)頻譜，共振腔波長約為454.3 nm且Q值可高達2200，再次表示了高品質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)與上下DBR的高反射率。

圖7-10為電激發(fā)氮化鎵VCSEL于77 K下量測的電流、電壓與輸出強度關(guān)系圖，元件的起始電壓（turn-on voltage）約為4.1 V，相對高的電壓值可能由于微小的電流孔徑與intra cavity結(jié)構(gòu)所致。而電流與發(fā)光強度的關(guān)系可觀察到明顯的雷射現(xiàn)象，其雷射閾值電流約為1.4mA，所對應(yīng)的電流密度約為1.8 kA/cm2。圖7-11為不同注入電流下之雷射頻譜圖，當注入電流大于閾值電流時，波長在462.8 nm出現(xiàn)單一的雷射訊號。圖7-11中的插圖為不同注入電流下的訊號半高寬值，可以發(fā)現(xiàn)在閾值電流之后訊號半高寬明顯下降，另一張插圖顯示注入電流為1mA下之元件孔徑強度分布圖，圖中可以觀察到空間上強度分布的不均勻，有可能是銦在空間上的分布不均所導(dǎo)致。

除了上述低溫下電激發(fā)的氮化鎵VCSEL之外，在2008年末，Nichia公司發(fā)表了室溫下連續(xù)操作的氮化鎵VCSEL，其雷射結(jié)構(gòu)是利用雷射剝離技術(shù)制作而成的上下介電質(zhì)DBR結(jié)構(gòu)，主動層是由2對InGaN/GaN多量子井結(jié)構(gòu)所組成，上下DBR分別為7對與11.5對的SiO2/Nb2O5DBR，其中ITO配合共振腔中的光場分布設(shè)計在光學(xué)駐波的節(jié)點上，而在共振腔厚度方面，他們更利用化學(xué)機械研磨技術(shù)（chemical-mechanical polishing，CMP）將n型氮化鎵的厚度減薄，使整體共振腔厚度只有約1.1μm，相當于7倍的光學(xué)波長厚度。其雷射的閾值電流約為7 mA，對應(yīng)的電流密度約為13.9kA/cm2，起始電壓約為4.3 V，當注入電流為12 mA時對應(yīng)的雷射功率為0.14mW。觀察其不同注入電流下之發(fā)光頻譜圖，當注入電流小于閾值電流時，可以明顯看到高階橫向模態(tài)的分布，且訊號半高寬約為0.11 nm，而當注入電流為1.1倍的閾值電流時，雷射訊號波長為414.4 nm且半高寬變窄為0.03 nm。他們進一步觀察8 μm電流孔徑之近場影像，可以發(fā)現(xiàn)當注入電流為0.6倍的閾值電流時，發(fā)光強度均勻地涵蓋整個雷射孔徑，而當達到閾值電流之后，一個直徑大約2μm的亮點出現(xiàn)在靠近孔徑中心的位置，表示雷射光點大小會小于電流孔徑。

雖然于2008年研究群成功實現(xiàn)了低溫下與室溫下氮化鎵VCSEL的結(jié)果，然而氮化鎵VCSEL目前仍需面臨許多挑戰(zhàn)，包含電流分布的改善、輸出功率的提升、雷射模態(tài)的控制以及元件生命期長短等。這些問題都是將藍光氮化鎵VCSEL進一步推向商品化之前必須努力的目標。