凌安恺-半导体激光器

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1、凌安恺 19820101152827 GaN基垂直腔面发射激光器 GaN based Vertical Cavity Surface Emitting Laser 目 录 GaN基VCSEL简介 GaN基VCSEL的研究进展 GaN基VCSEL研制中的关键问题 GaN基VCSEL的谐振腔结构设计与特性分析 InGaN/GaN 量子阱有源区的设计与分析 简 介 由于在高密度光存储、激光显示、激光扫 描、塑料光纤通信等领域巨大的应用前景 和市场需求，近年来国际上围绕GaN 基半 导体激光器研制和商品化的竞争日趋激烈 。 目前，GaN 基边发射激光器性能已经达到 了实用化水平，而性能更为优良的垂直腔

2、 面发射激光器（VCSEL）尚处于紧张的研 发阶段。 GaN 基VCSEL 是一种新型的微腔半导体 激光器。与传统边发射激光器不同的结构 带来了许多优势，使其在信息存储、激光 显示、激光打印、照明等领域具有极为广 阔的应用前景和巨大的市场价值。 VCSEL原理示意图 DBR 激励能源（光泵、电泵） DBR 激光输出 有源区 光学谐振腔 L 2008年，厦门大学张保平 教授课题组成功研制室温 光泵GaN基VCSEL。 全介质膜DBR光泵VCSEL结构示意图 厦门大学 同期最好(台湾 ) 阈值 6.5 mJ /cm2 7.8 mJ /cm2 激射波长449.5nm448nm 谱线 半高 宽 0.1

3、nm0.17nm 混合型DBR电泵VCSEL结构示意图 阈值电 流9.7mA 电流密度12.4kA/cm2 开启电压4.3V 激射波长412nm 谱线 半高宽0.5nm 2010年7月，室温下 连续波激射电泵GaN 基VCSEL由台湾交 通大学卢廷昌研究小 组研制成功。 GaN基VCSEL的研究进展 2008年 2000年 1995年 光泵GaN基VCSEL诞生 电泵GaN 基共振腔发光二极管(RCLED)诞生 世界首台电泵GaN基VCSEL 1995 年10 月，美国ATMI 公司利用MOCVD 技术在蓝 宝石衬底上外延生长了全氮 化物DBR GaN基VCSEL， 首次实现了光泵浦条件下激

4、射，激射波长363.5nm，阈 值2.0MW/cm2。 其顶部及底部反射镜分别由 两组30 周期个AlGaN/GaN DBR 构成，有源区为10m 厚的GaN外延层。 GaN基VCSEL的研究进展 全氮化物DBR GaN 基VCSEL 结构示意图 1999年底，美国Brown大学的Song等人利用晶片 键合及激光剥离技术，实现了蓝宝石衬底的剥离 ，首次制作了全介质膜DBR GaN 基VCSEL，并 实现了光泵条件下低温（258K）准连续激射。 由于该结构避免了生长氮化物DBR 引起的裂纹以 及有源区质量下降，并采用高反射率的SiO2/HfO2 介质膜DBR 作为反射镜，其激射阈值大大降低， 仅

5、为10kW/cm2，光谱特性也得到了极大的改善 。 2005年，台湾交通大学的Kao 等人利用MOCVD 技术在蓝宝石衬底上外延生长了AlN/GaN DBR 作 为底部反射镜，并以Ta2O5/SiO2介质膜DBR 作为 顶部反射镜，实现了氮化物-介质膜DBR GaN 基 VCSEL 光泵激射，激射波长448nm，阈值能量密 度53mJ/cm2。 2008年年初，台湾交通大学的王兴宗教授为首的 研究小组成功研制出了世界上首台电泵蓝光GaN 基VCSEL，从此翻开了GaN 基VCSEL新的篇章 。 谐振腔为氮化物-介质膜DBR 结构，底部反射镜为29 对 AlN/GaN DBR，顶部反射镜为 Ta

6、2O5/SiO2 DBR。为了避免微 裂纹的产生，在AlN/GaN DBR 生长过程中引入了AlN/GaN 超 晶格结构以消除双轴拉伸应力 的影响，最终形成了峰值反射 99.4%，高反带带宽25nm 的 高质量氮化物DBR。 在77K 连续电注入条件下，其 阈值电流密度为1.8kA/cm2， 激射波长为462.8nm，注入电 流为1.7Ith 时线宽为0.15nm。 77k电泵 GaN 基VCSEL结构示意图 2008年底，Nichia公司的研究人员在蓝宝石衬底 上外延生长了VCSEL 有源区结构，并利用键合及 激光剥离技术制作了GaN 基VCSEL 器件，首次 实现了室温连续激射。 器件的谐

7、振腔为全介质膜DBR 结构，有源区为两 组InGaN/GaN 量子阱。其室温连续激射阈值电流 研密度为13.9kA/cm2，激射波长为414.4nm，注 入电流为1.1Ith 时线宽为0.03nm，在12mA 电流条 件下，其输出功率为0.14mW。该器件在室温连续 工作时很容易老化，其性能尚需进一步提高。 室温电泵GaN 基VCSEL结构示意图 2009 年初， Nichia公司又 利用抛磨技术将GaN 衬底 上生长的外延结构制成了 GaN 基VCSEL 器件。 由于材料的缺陷密度降低， 器件的性能得到大幅度提高 。其室温连续激射阈值与蓝 宝石上生长的VCSEL 相比 略有升高，而其最高输出

8、功 率却达到了0.62mW，器件 寿命也得到了大大提高，但 工作一段时间后其阈值电流 会升高。 VCSEL 因其结构特殊，具有许多边发射激光器难 以比拟的优点，但是也有其困难需要克服。在制作 过程中，不仅要制作高反射率的腔面反射镜，而且 还要满足增益匹配条件。另外，还要解决载流子注 入，电流限制以及散热等问题。对于GaN基VCSEL 来说，由于材料体系的特殊性，这些问题显得尤为 突出。 GaN 基VCSEL 研制中的关键问题 有源区与光 场的耦合 DBR高反带 、增益谱和 谐振模式的 对准 全氮化物 DBR 谐振腔 氮化物-介质 膜DBR谐振 腔 全介质膜 DBR 谐振腔 氮化物-介 质膜DB

9、R 结 构 全介质膜 DBR 结构 谐振腔结构增益匹配工艺难点 GaN 基VCSEL 研制中的关键问题 对于VCSEL 的谐振腔，其品质因子的计算公式为 ： 这一公式表明，腔品质因子Q 不仅仅由DBR 反射 率决定，而且也与谐振腔长有关。然而VCSEL谐 振腔长极短，并且有源区很薄，所以其单程增益 很小，使得腔面反射镜的质量要求极高，需要达 到99%以上。因此，制作高质量的谐振腔对于 VCSEL来说至关重要。 GaN 基VCSEL谐振腔结构 在GaN基光电子器件的制作中，目前反射镜有三种类型： 第一种是直接采用金属来作为反射镜，比如利用Ag或Al来 形成反射镜，但是金属反射镜在蓝光波长范围的反

10、射率无 法达到95%以上，因此要制作VCSEL金属反射镜是无法 满足要求的。 第二种是介质膜DBR，如Ta2O5/SiO2，TiO2/SiO2 DBR等 ，其原理是利用两种折射率不同的材料，形成高、低折射 率相间且每层光学厚度为1/4波长的薄膜。 第三种是氮化物DBR，主要包括AlN/GaN，AlInN/GaN以 及AlGaN/GaN三种类型。 GaN 基VCSEL谐振腔结构 （a）全氮化物DBR （b）全介质膜DBR （c）氮化物-介质膜DBR 全氮化物DBR谐振腔结构 该结构不适合制作GaN基VCSEL器件，原因如下： 在GaN材料体系中难以找到晶格常数较为匹配，并且折射率 差较大的材料。

11、这使得氮化物DBR至少需要生长30对以上才 能达到99%的高反射率。而且在生长DBR时，两种材料之间 存在着因晶格常数不匹配所引起的应力，这些应力必须适当 地释放，否则积累到一定量时会以产生裂缝的方式来释放， 这将导致薄膜的破裂，影响整个样品的完整性。 p型GaN材料载流子密度不高，并且随着Al含量的增加，p型 AlGaN实现变得更加困难，从而导致外延生长的氮化物DBR 导电率极差，使得制作工艺变得复杂。 用MBE或MOCVD生长DBR需要耗费大量时间，难以量产化 。 与全氮化物DBR谐振腔结构相比，该结构更适合于GaN基 VCSEL。这是由于顶部采用介质膜DBR使制作成本及外 延生长难度大大

12、降低，并且介质膜优良的光学性质使整个 谐振腔的性能得到了极大的提高，使激射阈值大为降低。 与全介质膜DBR谐振腔结构相比，其优点是不需要键合及 激光剥离工艺，腔长易于控制，后续制作工艺简单。因此 ，这一谐振腔结构是目前GaN基RCLED及VCSEL较为常 用的结构之一。 主要障碍：氮化物DBR生长重复性及均匀性差、有源区质 量下降、增益匹配要求苛刻、散热差。 氮化物-介质膜DBR谐振腔结构 特点： 介质膜一般采用蒸镀的方式来生长，材料选择性广，易于 找到折射率差较大的两种材料来形成DBR，因而使用较少 的层数，就可以得到很高的反射率和很宽的高反射带。 SiO2、Ta2O5、TiO2、HfO2等

13、材料在短波长范围的吸收系 数很小，非常适合制作短波长DBR。 介质膜DBR制作工艺成熟，价格便宜，并且易于后续加工 。 优点： 不用生长氮化物DBR，有源区的晶体质高 介质膜反射率极高，使谐振腔Q值高，器件阈值低 高反带较宽，易实现增益匹配 外延层可以转移到其它导热性好的衬底上，改善散热特性 难点：解决键合及激光剥离过程中的一些技术难点。 全介质膜DBR谐振腔结构 GaN基VCSEL的增益匹配 有源区与光场的耦合 VCSEL的光场是沿着材料的生长方向纵向传播，而有源区 的在生长方向的厚度极为有限，每个量子阱总的厚度仅为 10nm左右，所以在VCSEL谐振腔中薄的量子阱有源区一 定要与驻波波腹交

14、叠，以期获得最大的耦合效率，也即最 大的光限制因子，从而降低激射阈值。 DBR高反带、增益谱和谐振模式的对准。 由于GaN系列材料增益谱较窄，而且无法进行湿法腐蚀， 使腔长的精确控制难于实现，导致谐振模式调整困难。另 外，在氮化物DBR构成的谐振腔中，还存在两种材料折射 率差较小引起的DBR高反带较窄的问题。 GaN基VCSEL的谐振模式及纵模间距 左图为1腔长的GaN 基VCSEL反射谱。如图所示，在中 心波长处存在一明显的谐振模式。由于腔长极短，所以在 高反带内只观察到一个谐振模式。 右图为4腔长的GaN 基VCSEL反射谱。由于腔长较长， 在高反带内存在3个谐振模式。 InGaN /Ga

15、N 量子阱的发光波长及带宽 理论上，通过调整量子阱中In 的组分，可以实现增益波长 的精确控制。然而，实际上由于量子限制斯塔克（QCSE ）效应，在InGaN /GaN 量子阱中存在极强的压电和自发 极化电场，使量子阱的能带发生倾斜。这种倾斜不仅使辐 射复合几率下降，而且还会引起发光波长发生红移。 InGaN /GaN 量子阱能带图： InGaN /GaN 量子阱发光谱线很窄，即使在很大的电流下 ，其发光谱半高宽一般也小于20nm。而VCSEL 较短的腔 长使纵模间距增大，导致在整个增益谱波段内往往只有一 个谐振模式。在此情况下，量子阱增益波长与谐振波长的 对准显得异常困难。 InGaN/Ga

16、N 量子阱发光谱线图 GaN基VCSEL的工艺难点 对于氮化物-介质膜DBR结构，其主要工艺难点在于高质 量氮化物DBR的制作，高效量子阱有源区的生长以及增益 匹配问题。 目前，氮化物DBR主要采用两种类型。 采用AlInN/GaN DBR。由于两种材料晶格匹配，DBR晶 体质量得到了极大的改善。主要困难是在生长过程中由于 Ga的掺入，难以得到三元的AlInN材料，并且由于折射率 差较小，需要生长较多层数才能获得较高反射率。 采用AlN/GaN DBR。通过在其中插入AlN/GaN超晶格应 力释放层虽然可以提高晶体质量，获得无裂缝的AlN/GaN DBR。但是，其较大的表面粗糙度（大于3nm，一般样品 小于0.1nm）对