GaN基垂直腔面发射激光器的研究进展

GaN基垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)的激光从芯片表面出射,与从芯片边缘出射光的激光器相比,其优势在于:发射光束具有圆形发散角,具有更高的光纤耦合效率;不需分割就可实现简单的二维集成,易于晶圆级测试,能提供更高的光输出功率;便于实现短腔长和小尺寸有源区,阈值更低,且激射波长温度稳定性好、调制速率比边发射激光器更快。得益于VCSEL的结构优势,再加上GaN基材料禁带宽度可调的特点,GaN基VCSEL原则上可以覆盖紫外到可见光波段,与目前主流的Ga As基VCSEL在波段上形成互补,在高分辨率打印、可见光通信、固态照明、传感器和微型原子钟等方面具有很大的应用前景。

VCSEL与边发射激光器结构上最大的不同在于谐振腔的设计,为了保证VCSEL的光能够垂直表面出射,其谐振腔也是垂直于表面的方向。由于VCSEL的腔长(增益路径)较短,为了更易达到阈值条件,一般用高反射率的分布式布拉格反射镜(Distributed Bragg reflector,DBR)作为垂直腔的上下反射镜[29]。典型的DBR是由四分之一波长厚的高折射率材料与低折射率材料交替组成,两种材料的折射率差越大,DBR的反射带宽越大,达到一定反射率所需要的高、低折射率材料对数也越少。

与Ga As基VCSEL中成熟的AlGa As/Ga As DBR技术不同,若GaN基VCSEL也采用类似的AlGa N/Ga N、In Al N/GaN或Al Ga N/Al N外延DBR结构,会存在高、低折射率材料折射率差别小和由于晶格失配造成的材料质量问题,从而导致外延的DBR反射率低、反射带宽窄等现象。为了克服这一问题,研究者们提出了可以利用高折射率差的介电材料来制作DBR,例如TiO2/SiO2、SiO2/Ta2 O5和SiO2/Hf O2等。

图3.2.12　Ga N基VCSEL的三种典型结构

图3.2.12所示根据DBR的不同方式展示了电注入GaN基VCSEL的三种典型结构,如下所述。图(a)使用的是外延DBR和电介质DBR的混合结构,下DBR是外延结构,上DBR由电介质组成。这种结构不需要剥离、减薄或者键合步骤,工艺过程较简单。但此结构面临的主要挑战是蓝宝石等异质衬底上外延DBR的应力问题和DBR两层材料之间折射率差小的问题。为了解决这些问题,人们尝试了一系列方法。例如,利用超晶格缓冲层来缓解Al N/GaN DBR的应力、使用Ga N衬底、用晶格更加匹配的In Al N/Ga N结构代替Al N/Ga N结构作DBR层等。

图(b)是通过衬底转移技术制造的双电介质DBR结构,上、下DBR都是由电介质组成。具体的方法是先在外延衬底上按照常规方法外延VCSEL结构,从衬底到表面主体外延层结构依次是n-GaN、多量子阱、p-Ga N,再通过溅射、电子束蒸发、化学气相沉积(CVD)、脉冲激光沉积(PLD)或原子层沉积(ALD)等手段在淀积了ITO和p电极的p-GaN层上制作电介质DBR。将带有此DBR的结构倒装键合在另一个支撑衬底上,使已有的DBR变成下DBR。再通过激光剥离、化学机械抛光或者光电化学刻蚀的方法将上方的原衬底去除,淀积完n电极后,最后沉积上电介质DBR。(www.xing528.com)

图(c)是通过外延侧向过度生长(Epitaxial Lateral Overgrowth,ELO)技术制造的双电介质DBR结构。首先将下DBR电介质淀积在外延衬底上,图形化以后,再放入金属有机化合物化学气相沉淀(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)外延炉中进行VCSEL结构的外延。最后,在沉积了ITO和n电极的表面制作上DBR结构。

由于电介质无法导电,在图3.2.12所示的三种结构中,p-GaN和电介质DBR之间都插入了ITO层,起到电流扩展和引出p电极的作用。然而,ITO层对光具有吸收作用,为了降低它对出射光功率的影响,其厚度需要合理设计。目前,还可以用薄金属层、石墨烯、隧道结等方法替代ITO作为电流扩展层。薄金属层电阻低,但可能会导致非常高的光吸收;单层石墨烯的光吸收在可见光波长范围内仅为2.3%。但由于大多数石墨烯都是先生成再转移到GaN上,接触电阻较大;目前最可行的方法是隧道结,通过生长埋层隧道结,Lee等人制造出了阈值电流密度为12 k A/cm2、输出功率约为0.72 mW的GaN VCSEL。

除了DBR以外,在载流子输运方面,Ga N基VCSEL的设计和注意事项与边发射激光器或LED类似,包括GaN的p型掺杂、量子阱的优化和EBL层的优化等,这里不再赘述。

GaN基VCSEL从波段上划分,目前主要包括蓝紫光、绿光和紫外波段。蓝紫光波段在增大输出功率和减小阈值电流方面都取得了突破,并且成功实现了VCSEL阵列,如图3.2.13所示。绿光波段与该波段LED一样,同样面临由于量子阱In组分过高而带来的各种问题。可以采用InGaN量子点(QD)作为绿光激光器的有源区。QD具有δ函数态密度的离散态,因此有达到很高增益峰值的潜力;另一方面,QD中应力得到了弛豫,量子限制斯塔克效应被减弱,增强了电子空穴对的辐射复合,这些因素使得绿光VCSEL的激射变成可能。对于紫外波段VCSEL而言,也面临由于量子阱Al组分过高带来的问题,再加上外延DBR对紫外光反射率低以及紫外光在谐振腔中损耗大的原因,目前实现激射的都是光泵浦的GaN基紫外VCSEL,还没有实现电注入。

图3.2.13　GaN基蓝紫光VCSEL阵列示意图[30]