GaN基垂直腔面發(fā)射激光器的研究進(jìn)展

應(yīng)磊瑩，梅 洋，張保平

(廈門(mén)大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建 廈門(mén) 361005)

垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)是一種出光方向垂直于晶圓表面的半導(dǎo)體激光器.與傳統(tǒng)的側(cè)面出光的邊發(fā)射激光器(EEL)相比，VCSEL有更短的諧振腔與更小的器件尺寸，因此其閾值電流低，能實(shí)現(xiàn)單縱模工作以及高速調(diào)制.同時(shí)，VCSEL的激光光束具有極好的圓形對(duì)稱(chēng)特性，能與光纖進(jìn)行高效耦合.垂直腔面發(fā)射出光的器件結(jié)構(gòu)使其可以被制備成高密度的二維器件陣列，實(shí)現(xiàn)更高的輸出功率[1].

VCSEL早期研究主要集中在紅光與近紅外波段.1977年?yáng)|京大學(xué)的Iga首次提出VCSEL的構(gòu)想[2]，此后在1979年與1987年，他所在研究組在77 K溫度下分別實(shí)現(xiàn)了首支GaInAsP/InP與GaAs/AlGaAs的電注入脈沖激射VCSEL[3-4]，并于1989 年實(shí)現(xiàn)了GaAs/AlGaAs VCSEL的室溫連續(xù)激射[5].在這之后GaAs基VCSEL便開(kāi)始迅速發(fā)展，在1997年實(shí)現(xiàn)了最早的商業(yè)化應(yīng)用.目前近紅外波段的GaAs基VCSEL已經(jīng)在高速以太網(wǎng)、短距離光通信、數(shù)據(jù)中心以及超級(jí)計(jì)算機(jī)中的光互聯(lián)、光纖局域網(wǎng)等應(yīng)用領(lǐng)域中占據(jù)了絕大部分市場(chǎng).2018年，Apple公司iPhone X(https:∥www.apple.com.cn)所搭載的基于VCSEL陣列的三維面部識(shí)別傳感器則為VCSEL開(kāi)辟了一個(gè)新的廣闊應(yīng)用領(lǐng)域，深度傳感也被業(yè)界認(rèn)為是VCSEL技術(shù)從工業(yè)界轉(zhuǎn)向消費(fèi)領(lǐng)域的一個(gè)重大突破.此外VCSEL也在醫(yī)療、紅外照明、激光雷達(dá)、原子鐘等方面有著廣泛的應(yīng)用.

與GaAs基VCSEL的迅速發(fā)展并且成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用相比，GaN基VCSEL前期的發(fā)展較為緩慢，這與GaN材料本身的特性直接相關(guān).GaN是一種第三代半導(dǎo)體材料，具有寬禁帶、直接帶隙、高發(fā)光效率、高振子強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)調(diào)整合金組分，其發(fā)光波長(zhǎng)可以覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光范圍，因此是制備發(fā)光二極管(LED)以及激光二極管(LD)等光電器件的理想材料[6].但是早期GaN材料面臨著高質(zhì)量外延生長(zhǎng)與p型摻雜的難題，極大地限制了GaN基光電器件的發(fā)展.直到20世紀(jì)90年代，赤崎勇、天野浩與中村修二等使用低溫成核層以及兩步生長(zhǎng)法制備出高質(zhì)量的GaN單晶薄膜，并且解決了p型摻雜的難題，GaN基光電器件才開(kāi)始迅速發(fā)展[7-9].2014年他們?nèi)艘蛟贕aN基藍(lán)光LED中做出的卓越貢獻(xiàn)被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).此后GaN基VCSEL開(kāi)始逐步發(fā)展并吸引了眾多研究者的注意，陸續(xù)有眾多跨國(guó)企業(yè)和科研單位參與到器件的研發(fā).企業(yè)主要來(lái)自日本，包括日亞化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社(簡(jiǎn)稱(chēng)日亞)[10-12]、松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社(簡(jiǎn)稱(chēng)松下)[13]、索尼[14-16]和史丹利電器公司[17-19]；科研單位包括臺(tái)灣交通大學(xué)(NCTU)[20-24]、加州大學(xué)圣巴巴拉分校[25-31]、洛桑理工大學(xué)[32]、廈門(mén)大學(xué)[33-35]、名城大學(xué)[36-39]、耶魯大學(xué)[40]等.這也進(jìn)一步說(shuō)明了GaN基VCSEL具有極為誘人的應(yīng)用前景.本文對(duì)照目前已經(jīng)發(fā)展成熟的GaAs基VCSEL的發(fā)展?fàn)顩r，綜述了GaN基VCSEL的應(yīng)用領(lǐng)域、發(fā)展現(xiàn)狀以及技術(shù)路線，并著重介紹了近年來(lái)GaN基綠光VCSEL所取得的一系列研究進(jìn)展，最后簡(jiǎn)述了GaN基VCSEL所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn).

1 GaN基VCSEL的應(yīng)用領(lǐng)域

GaN基VCSEL的發(fā)光波長(zhǎng)主要在可見(jiàn)光波段，因此相比于近紅外波段的GaAs基VCSEL有著獨(dú)特的應(yīng)用領(lǐng)域.其應(yīng)用集中在半導(dǎo)體激光照明、可見(jiàn)光通信、激光投影與顯示、高密度光存儲(chǔ)、生物醫(yī)療、原子鐘等[22].

在激光照明領(lǐng)域，與EEL相比，VCSEL更加適用于需要高度方向性光源的應(yīng)用場(chǎng)景，比如酒店、劇場(chǎng)、博物館等的情景照明、汽車(chē)與飛機(jī)頭燈等.而且VCSEL出光方向?yàn)楸砻娲怪背龉?，與現(xiàn)有成熟的LED制備與封裝技術(shù)兼容，另外VCSEL可集成為高密度二維陣列，有望提供比單管EEL更高的發(fā)光功率.

在可見(jiàn)光通信方面，階躍型塑料光纖在570,650和780 nm附近為低損耗窗口，因此黃綠光波段GaN基VCSEL可用于塑料光纖通信，且其具有比LED以及EEL更大的調(diào)制帶寬[41].另外，470～540 nm波段是光在海水中傳播的低損耗窗口，因此藍(lán)綠光與綠光GaN基VCSEL也可應(yīng)用于對(duì)海探測(cè)以及水下光通信領(lǐng)域[42].GaN基VCSEL在可見(jiàn)光通信中另一個(gè)重要應(yīng)用為自由空間可見(jiàn)光通信，也被稱(chēng)為光保真(LiFi)[43].作為L(zhǎng)iFi系統(tǒng)的光源，GaN基VCSEL可以達(dá)到比LED與EEL更高的調(diào)制速率，因此有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力.

在激光投影與顯示應(yīng)用中，GaN基VCSEL發(fā)光波長(zhǎng)可以完整覆蓋紅綠藍(lán)三基色，同時(shí)又有較好的方向性以及小發(fā)散角，因此非常適用于激光投影與顯示.由于其單色性，GaN基VCSEL可以覆蓋更廣的色域，實(shí)現(xiàn)更高的色彩飽和度.使用多個(gè)不同波長(zhǎng)的綠光VCSEL，配合藍(lán)光與紅光VCSEL光源，理論上基本可以覆蓋全部色域，實(shí)現(xiàn)真正的全色顯示.另外，GaN基VCSEL的小體積以及低功耗也會(huì)使其更加適用于可移動(dòng)或可穿戴電子設(shè)備如手機(jī)、智能手表、智能眼鏡等終端所集成的微投影設(shè)備中.

2 GaN基VCSEL的發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)路線

GaN基VCSEL的研究最早開(kāi)始于1995年，東京工業(yè)大學(xué)的Honda等[44]對(duì)GaN基VCSEL的閾值特性進(jìn)行了相關(guān)計(jì)算.1996年，ATMI公司[45]報(bào)道了首個(gè)光泵GaN基VCSEL激射.

2008年，NCTU的Lu等[24]制備出世界上第一支電注入GaN基VCSEL，該器件實(shí)現(xiàn)了77 K溫度下連續(xù)激射，激射波長(zhǎng)為462.8 nm，閾值電流密度為1.8 kA/cm2.此后日亞、松下、索尼、洛桑理工大學(xué)、廈門(mén)大學(xué)、名城大學(xué)、耶魯大學(xué)等研究單位都相繼報(bào)道了電注入GaN基VCSEL的室溫連續(xù)激射.至今，GaN基VCSEL已經(jīng)成功覆蓋了從紫光至黃綠光的光譜范圍[35]，最大單管光功率為24 mW[46]，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了發(fā)光功率超過(guò)1 W的藍(lán)光VCSEL陣列[17].

GaN基VCSEL中諧振腔所用反射鏡可分為混合分布布拉格反射鏡(DBR)結(jié)構(gòu)和雙介質(zhì)膜DBR結(jié)構(gòu).混合DBR結(jié)構(gòu)中的上反射鏡為介質(zhì)膜DBR，下反射鏡為氮化物DBR.而雙介質(zhì)膜DBR結(jié)構(gòu)中的上下反射鏡均為介質(zhì)膜DBR.在已經(jīng)商業(yè)化的GaAs基VCSEL中，上下兩個(gè)反射鏡全部為外延生長(zhǎng)的AlAs/GaAs DBR.這是因?yàn)镚aAs與AlAs晶格匹配，制備高反射率與高晶體質(zhì)量的AlAs/GaAs DBR較為容易，這也是其能夠快速實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的重要原因[2].但是在GaN基半導(dǎo)體材料系統(tǒng)中難以找到晶格匹配且同時(shí)具有高折射率差的兩種半導(dǎo)體材料，因此生長(zhǎng)出具有高晶體質(zhì)量、高反射率的氮化物DBR極為困難.為此，GaN基VCSEL通常采用混合DBR結(jié)構(gòu)或者雙介質(zhì)膜DBR結(jié)構(gòu).

2.1 混合DBR結(jié)構(gòu)GaN基VCSEL

目前正在進(jìn)行電注入混合DBR結(jié)構(gòu)GaN基VCSEL研究的科研小組主要有NCTU、洛桑理工大學(xué)、名城大學(xué)以及史丹利電器公司.2008年NCTU報(bào)道的首支電注入GaN基VCSEL便采取了混合DBR結(jié)構(gòu)[24]，其下反射鏡為AlN/GaN DBR.由于GaN與AlN之間有約2.4%的晶格失配，他們?cè)贒BR內(nèi)部插入AlN/GaN超晶格層進(jìn)行應(yīng)力調(diào)控，最終成功生長(zhǎng)出無(wú)裂紋且反射率超過(guò)99.4%的氮化物DBR，如圖1所示.2012年，洛桑理工大學(xué)報(bào)道了具有41.5對(duì)Al0.8In0.2N/GaN的電注入混合DBR結(jié)構(gòu)GaN基VCSEL[32]，如圖2所示.當(dāng)In組分為0.18時(shí)，AlInN與GaN晶格匹配，因此可以交替外延生長(zhǎng)多層Al0.8In0.2N/GaN而不產(chǎn)生裂紋和缺陷.此后基于AlInN/GaN混合DBR結(jié)構(gòu)的GaN基VCSEL的研究主要集中在名城大學(xué)與史丹利電器公司.通過(guò)優(yōu)化DBR外延生長(zhǎng)條件，名城大學(xué)實(shí)現(xiàn)了反射率分別高達(dá)99.9%與99.4%以上的紫光與綠光AlInN/GaN DBR[39].2016年名城大學(xué)報(bào)道了具有40對(duì)Al0.82In0.18N/GaN的混合DBR結(jié)構(gòu)GaN基VCSEL，之后他們又連續(xù)報(bào)道了使用寬量子阱有源區(qū)[36]、具有導(dǎo)電性的AlInN/GaN的混合DBR結(jié)構(gòu)VCSEL[37].2018年，史丹利電器公司與名城大學(xué)在器件中引入橫向SiO2波導(dǎo)層，使得器件最大輸出功率提升至6 mW[18].2019年，通過(guò)增加諧振腔長(zhǎng)度改善了器件的散熱性能，器件光功率又大幅度提升至22 mW以上，并且器件最高工作溫度達(dá)到110 ℃[19].同年8月，他們又報(bào)道了16×16的VCSEL陣列[17]，該陣列最大輸出功率達(dá)到1.19 W，同時(shí)具有良好的光束特性.

圖1 NCTU制備的插入超晶格的AlN/GaN DBR的透射電鏡圖[24]

(a)表面原子力顯微鏡圖;(b)截面掃描電鏡(SEM)圖；(c)器件結(jié)構(gòu)示意圖.

除了普通結(jié)構(gòu)的氮化物DBR之外，新墨西哥大學(xué)于2019年報(bào)道了具有多孔結(jié)構(gòu)下DBR的GaN基VCSEL[47]，如圖3所示.制備下DBR時(shí)依次生長(zhǎng)16對(duì)非摻雜/重?fù)诫s的GaN外延層，之后使用電化學(xué)腐蝕方式在重?fù)诫sGaN中形成納米孔洞.此種方式外延生長(zhǎng)工藝更為簡(jiǎn)單，且較大的折射率差能使得納米孔洞DBR具有較寬的高反帶.2020年，耶魯大學(xué)報(bào)道了具有導(dǎo)電的多孔結(jié)構(gòu)下DBR的GaN基VCSEL室溫脈沖激射[40]，電流從下DBR通過(guò)時(shí)并未對(duì)器件閾值特性與斜率效率產(chǎn)生不良影響，器件閾值電流密度42 kA/cm2，輸出功率0.12 mW.

圖3 新墨西哥大學(xué)所報(bào)道的納米孔DBR結(jié)構(gòu)GaN基VCSEL[47]

2.2 雙介質(zhì)膜DBR結(jié)構(gòu)GaN基VCSEL

雙介質(zhì)膜DBR結(jié)構(gòu)VCSEL根據(jù)其制備方式有以下幾種不同結(jié)構(gòu)，如圖4所示.圖4(a)為通過(guò)襯底轉(zhuǎn)移方式制備，此種方式需要去除原始襯底并將半導(dǎo)體薄膜進(jìn)行轉(zhuǎn)移，增加了工藝復(fù)雜性，但同時(shí)也完全避開(kāi)了外延生長(zhǎng)氮化物DBR所面臨的困難.目前采用此種技術(shù)路線的研究單位主要有日亞、松下、廈門(mén)大學(xué)、NCTU、加州大學(xué)圣巴巴拉分校.圖4(b)和(c)分別為使用側(cè)向外延以及在襯底側(cè)直接制備球面形DBR的器件結(jié)構(gòu)示意圖，目前索尼采用這兩種技術(shù)路線.

圖4 雙介質(zhì)膜DBR GaN基VCSEL結(jié)構(gòu)示意圖

2008年日亞報(bào)道了第一個(gè)雙介質(zhì)膜DBR結(jié)構(gòu)GaN基VCSEL，如圖5所示[10].上下兩個(gè)反射鏡分別為7與11.5對(duì)SiO2/Nb2O5介質(zhì)膜DBR，激射波長(zhǎng)414 nm，閾值電流密度13.9 kA/cm2，輸出功率0.14 mW.之后使用GaN襯底改善晶體質(zhì)量，器件的發(fā)光功率提升至0.7 mW[12]，并且實(shí)現(xiàn)了發(fā)光波長(zhǎng)在503 nm的綠光VCSEL室溫脈沖激射[11].2014年，廈門(mén)大學(xué)[33]報(bào)道了具有類(lèi)似結(jié)構(gòu)的GaN基VCSEL，器件發(fā)光波長(zhǎng)為422 nm，閾值電流密度為1.2 kA/cm2；進(jìn)一步通過(guò)使用InGaN量子點(diǎn)作為有源區(qū)并且使用Cu襯底改善散熱性能，實(shí)現(xiàn)了綠光GaN基VCSEL的低閾值室溫連續(xù)激射，發(fā)光波長(zhǎng)分布在479.6～565.7 nm之間，覆蓋了大部分綠光的范圍[34-35]；同樣，利用InGaN量子阱中的局域態(tài)，并配合諧振腔效應(yīng)，在2018年又報(bào)道了發(fā)光波長(zhǎng)在493 nm的綠光VCSEL室溫連續(xù)激射[48].2020年NCTU報(bào)道了首個(gè)上反射鏡為介質(zhì)膜光柵結(jié)構(gòu)的電注入GaN基VCSEL[49-50]，如圖6所示.器件下反射鏡為12對(duì)SiO2/Ta2O5介質(zhì)膜DBR，上反射鏡由條形納米TiO2光柵構(gòu)成.發(fā)光波長(zhǎng)為405 nm，閾值電流Ith為25 mA.光柵上反射鏡使得器件具有優(yōu)異的偏振特性.

圖5 日亞所報(bào)道的雙介質(zhì)膜DBR結(jié)構(gòu)GaN基VCSEL[10]

圖6 NCTU所報(bào)道的具有光柵結(jié)構(gòu)上DBR的雙介質(zhì)膜DBR GaN基VCSEL[49-50]

加州大學(xué)圣巴巴拉分校的相關(guān)研究主要集中在半極性與非極性GaN材料.與極性面(c面)InGaN量子阱相比，非極性面(m面)的量子阱有著更小的量子限制斯塔克效應(yīng)(QCSE)、更低的透明載流子濃度以及更高的增益，同時(shí)器件發(fā)光也具有良好的偏振特性[51].2012年，他們報(bào)道了第一個(gè)非極性GaN基VCSEL[28]，如圖7所示.外延襯底為m面GaN襯底，器件制備時(shí)使用電化學(xué)腐蝕的方式將襯底去除.在之后的2014—2018年間，他們又相繼報(bào)道了偏振度100%[27]、具有離子注入電流限制孔徑[29]、具有光化學(xué)腐蝕形成的空氣間隙型電流限制孔徑[30]、具有隧道結(jié)電流擴(kuò)展層等不同結(jié)構(gòu)的非極性GaN基VCSEL[25-26,31].2016年他們率先嘗試了對(duì)GaN基VCSEL進(jìn)行高速調(diào)制測(cè)試，器件的-3 dB帶寬達(dá)到1 GHz[52].

圖7 加州大學(xué)圣巴巴拉分校報(bào)道的非極性GaN基VCSEL[28]

為了避免襯底轉(zhuǎn)移過(guò)程中復(fù)雜的器件工藝，索尼在2015年與2018年分別報(bào)道了側(cè)向外延[16]，以及在襯底側(cè)制備球面DBR[53]來(lái)進(jìn)行器件制備的方法.側(cè)向外延是在生長(zhǎng)半導(dǎo)體薄膜之前，先在GaN襯底上制備圖形化的介質(zhì)膜DBR，之后通過(guò)調(diào)控外延生長(zhǎng)條件將DBR掩埋在GaN外延層中，如圖8所示.但是側(cè)向外延需要較為苛刻的生長(zhǎng)條件，且在橫向生長(zhǎng)閉合的界面處位錯(cuò)密度較大.直接在GaN襯底背面制備曲面介質(zhì)膜反射鏡的器件結(jié)構(gòu)如圖9所示，DBR分別位于p-GaN側(cè)與GaN襯底側(cè)，因此不需要將GaN襯底去除.由于腔長(zhǎng)較長(zhǎng)，需要使用曲面DBR對(duì)光場(chǎng)加以橫向束縛，減小衍射損耗[15].之后通過(guò)優(yōu)化限制孔徑尺寸以及諧振腔長(zhǎng)度，2019年索尼又分別實(shí)現(xiàn)了器件閾值電流為亞毫安量級(jí)以及最大輸出功率為15 mW具有曲面DBR結(jié)構(gòu)的VCSEL[15,54].

圖8 索尼報(bào)道的通過(guò)側(cè)向外延方式制備的雙介質(zhì)膜DBR GaN基VCSEL[16]

圖9 索尼報(bào)道的襯底側(cè)具有曲面介質(zhì)膜DBR的GaN基VCSEL[53]

3 綠光GaN基VCSEL

綠光是三基色之一，因此綠光VCSEL在微投影、全色激光顯示、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)、虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)等領(lǐng)域有著非常重要的應(yīng)用.綠光波段也處于塑料光纖以及海水的低損耗窗口，因此可以應(yīng)用于塑料光纖通信以及水下可見(jiàn)光通信.此外，綠光VCSEL在生物醫(yī)療領(lǐng)域也有很好的應(yīng)用前景[55].

但是與藍(lán)光和紫光GaN基VCSEL相比，綠光GaN基VCSEL面臨著更大的挑戰(zhàn)與困難.在綠光波段，高質(zhì)量、高發(fā)光效率的InGaN量子阱的生長(zhǎng)更為困難[8].綠光量子阱中的高In組分會(huì)使InGaN與GaN之間的晶格失配增大，造成較高的缺陷密度以及較大應(yīng)力.同時(shí)，綠光量子阱外延生長(zhǎng)需要更低的溫度，晶體質(zhì)量更難保證.量子阱中的缺陷會(huì)增加載流子的非輻射復(fù)合，而較大應(yīng)力所形成的壓電極化電場(chǎng)會(huì)帶來(lái)QCSE，降低發(fā)光效率.InGaN量子阱在綠光波段發(fā)光效率降低，這也被稱(chēng)為“綠光帶隙”[56].2010年，日亞第一次報(bào)道了發(fā)光波長(zhǎng)接近綠光的電注入GaN基VCSEL[11]，但是其發(fā)光波長(zhǎng)僅為503 nm，器件只能工作在脈沖注入條件下，而且閾值電流較大.

3.1 綠光InGaN量子點(diǎn)VCSEL

針對(duì)綠光GaN基VCSEL中所面臨的困難，2017年，廈門(mén)大學(xué)的研究小組采用一種新的方式來(lái)制備綠光GaN基VCSEL[34,57]，采用InGaN量子點(diǎn)代替量子阱作為有源區(qū)，并且使用電鍍Cu襯底改善器件的散熱特性，最終成功實(shí)現(xiàn)了綠光GaN基VCSEL的低閾值室溫連續(xù)激射.器件結(jié)構(gòu)及照片如圖10所示.

(a)器件結(jié)構(gòu)；(b)器件電管照片；(c)器件陣列照片.

使用量子點(diǎn)作為有源區(qū)能夠有效降低激光器閾值，提高器件溫度穩(wěn)定性[58-59].量子點(diǎn)中的電子具有脈沖函數(shù)狀的分立的態(tài)密度分布，因此具有比體材料以及量子阱更高的微分增益.此外，載流子被局域在量子點(diǎn)中，減小了被缺陷與位錯(cuò)等非輻射復(fù)合中心俘獲的概率，量子點(diǎn)在一定程度下能夠?qū)崿F(xiàn)“缺陷免疫”[60].另一方面，量子點(diǎn)在外延生長(zhǎng)過(guò)程中通常是以應(yīng)力驅(qū)動(dòng)的S-K(Stranski-Krastanow)模式生長(zhǎng)，因此量子點(diǎn)生長(zhǎng)過(guò)程中存在應(yīng)力釋放，其內(nèi)部的壓電極化電場(chǎng)與QCSE也會(huì)得到減弱，發(fā)光性能進(jìn)一步提升.

基于InGaN量子點(diǎn)制備的GaN基VCSEL發(fā)光光譜以及電流-電壓-光功率特性如圖11所示.3個(gè)不同的器件在不同波長(zhǎng)處展現(xiàn)出多縱?；騿慰v模發(fā)光，波長(zhǎng)覆蓋480～560 nm范圍的綠光波段.圖12為廈門(mén)大學(xué)綠光InGaN量子點(diǎn)VCSEL與國(guó)際其他研究小組研究結(jié)果的對(duì)比，使用InGaN量子點(diǎn)制備出覆蓋綠光波段、閾值最低的GaN基VCSEL.

圖11 綠光InGaN量子點(diǎn)VCSEL的電致發(fā)光光譜(a～c)及對(duì)應(yīng)的電流-電壓-光功率特性曲線(d～f)[34]

圖12 綠光量子點(diǎn)VCSEL器件特性與量子阱VCSEL器件特性的橫向?qū)Ρ萚34]

3.2 基于局域態(tài)的綠光GaN基VCSEL

2018年，廈門(mén)大學(xué)又報(bào)道了基于藍(lán)光量子阱中局域態(tài)的綠光GaN基VCSEL室溫連續(xù)激射[48]，器件同樣為雙介質(zhì)膜DBR結(jié)構(gòu)，器件性能如圖13所示.器件發(fā)光波長(zhǎng)主要分布在493 nm，閾值電流為32 mA，最大輸出功率約180 μW.器件使用2對(duì)發(fā)光波長(zhǎng)在460 nm的藍(lán)光In0.18Ga0.82N/GaN(2.5 nm/6 nm)量子阱為有源區(qū)，通過(guò)量子阱中的富In局域態(tài)，并配合諧振腔效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了綠光波段激射.這種方式避免了生長(zhǎng)高In組分量子阱的問(wèn)題，為綠光GaN基VCSEL的制備提供了新的思路.

圖13 廈門(mén)大學(xué)報(bào)道的局域態(tài)綠光VCSEL的發(fā)光特性[48]

3.3 半極性綠光GaN基VCSEL

器件閾值電流-電壓-光功率特性以及發(fā)光光譜如圖14所示，閾值電流1.8 mA，激射波長(zhǎng)515 nm.通過(guò)使用綠光VCSEL配合藍(lán)光和紅光VCSEL，他們也首次實(shí)現(xiàn)了全VCSEL產(chǎn)生的白光.

圖14 索尼報(bào)道的半極性綠光GaN基VCSEL發(fā)光特性[61]

4 GaN基VCSEL所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

4.1 高質(zhì)量高電導(dǎo)率氮化物DBR的外延生長(zhǎng)

名城大學(xué)以及史丹利電器在基于AlInN/GaN混合DBR結(jié)構(gòu)的GaN基VCSEL中已經(jīng)取得較大進(jìn)展.但是AlInN/GaN DBR的外延生長(zhǎng)仍然面臨著較大挑戰(zhàn).這是因?yàn)锳lN與InN的合適生長(zhǎng)溫度以及氣壓都有著巨大差異：AlN的合適生長(zhǎng)溫度一般在1 300 ℃ 以上，而InN則小于700 ℃；AlN的合適生長(zhǎng)壓強(qiáng)約為10 kPa，而InN為100 kPa.AlInN是AlN與InN的合金材料，因此合適的生長(zhǎng)條件極為苛刻，且生長(zhǎng)窗口很窄[39].另一方面，AlInN的生長(zhǎng)速率較慢，雖然目前名城大學(xué)與史丹利電器已經(jīng)將其生長(zhǎng)速率提升至了0.5 μm/h[39]，但生長(zhǎng)40對(duì)AlInN/GaN DBR仍需要10 h以上，生產(chǎn)成本較大.另外，Al0.82In0.18N的熱導(dǎo)率非常低，只有約4.3 W/mK[62]，這也會(huì)極大影響器件散熱特性.另外一個(gè)需要解決的問(wèn)題就是氮化物DBR的導(dǎo)電性.因?yàn)楦唠妼?dǎo)率氮化物DBR難以制備，目前普遍采取腔內(nèi)接觸電極結(jié)構(gòu)使注入電流繞過(guò)下DBR.但是這會(huì)造成電流擁堵效應(yīng)，影響器件性能.名城大學(xué)采用調(diào)制漸變摻雜的方法實(shí)現(xiàn)了具有導(dǎo)電性的AlInN/GaN混合DBR結(jié)構(gòu)的VCSEL室溫連續(xù)激射，但是與下DBR不導(dǎo)電的VCSEL相比，性能在一定程度上有所惡化，說(shuō)明導(dǎo)電性氮化物DBR還有很大的優(yōu)化空間.

4.2 光場(chǎng)的橫向限制

GaAs基VCSEL中的橫向光場(chǎng)限制是通過(guò)對(duì)AlAs進(jìn)行氧化形成Al2O3孔徑來(lái)實(shí)現(xiàn).但是這種氧化工藝在GaN基材料體系中極難實(shí)現(xiàn)，需要特別的器件設(shè)計(jì)以及制備工藝來(lái)對(duì)光場(chǎng)進(jìn)行橫向限制.目前已有的做法為在p-GaN表面制備開(kāi)有小孔的掩埋SiO2橫向波導(dǎo)層.但是有計(jì)算表明，器件工作時(shí)SiO2波導(dǎo)層下表面的感應(yīng)電荷所形成的勢(shì)場(chǎng)會(huì)加劇電流在p-GaN中的橫向擴(kuò)散，影響有源區(qū)的有效增益[63].2020年，史丹利電器與名城大學(xué)開(kāi)發(fā)了更為簡(jiǎn)單的橫向光場(chǎng)限制結(jié)構(gòu)[46].他們使用電感耦合等離子體刻蝕(ICP)將p-GaN刻出具有5 nm高的圓柱形臺(tái)面，ICP刻蝕過(guò)的p-GaN區(qū)域則形成了高阻狀態(tài)，無(wú)需絕緣層來(lái)進(jìn)行電流限制.凸起的p-GaN圓柱臺(tái)面能實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)的橫向限制，器件結(jié)構(gòu)如圖15所示.他們通過(guò)此種方式得到了目前GaN基VCSEL中最大的單管輸出功率24 mW(連續(xù)電流驅(qū)動(dòng)下)，且器件的工作溫度提升至140 ℃.目前圓柱形臺(tái)面的的高度還有待進(jìn)一步優(yōu)化以期取得更好的橫向光場(chǎng)限制效果.

圖15 史丹利電器所報(bào)道的納米高度圓柱形凸臺(tái)限制結(jié)構(gòu)VCSEL及器件特性[46]

4.3 p-GaN側(cè)的電流擴(kuò)展

與GaAs基半導(dǎo)體不同，p-GaN往往具有較大的體電阻.為了使電流能均勻注入限制孔徑，必須在p-GaN表面?zhèn)潆娏鲾U(kuò)展結(jié)構(gòu).目前常用的方法為沉積銦錫氧化物(ITO)透明導(dǎo)電層，或者外延生長(zhǎng)隧道結(jié)來(lái)進(jìn)行電流擴(kuò)展.但是ITO層有較大的光吸收，材料本身也比較昂貴；生長(zhǎng)隧道結(jié)則會(huì)使外延工藝更為復(fù)雜，因此還需尋找更為簡(jiǎn)單有效的電流擴(kuò)展方式.

4.4 高質(zhì)量有源區(qū)的外延生長(zhǎng)

雖然目前GaN基VCSEL已經(jīng)取得較大單管輸出功率，但性能較好的器件需使用GaN單晶襯底來(lái)進(jìn)行外延生長(zhǎng)以減小晶體缺陷密度.目前GaN單晶襯底仍然較為昂貴，占據(jù)器件制備的大部分成本.因此還需不斷優(yōu)化外延工藝，以在更廉價(jià)的襯底如藍(lán)寶石上獲得更高質(zhì)量的有源區(qū)材料.

5 總 結(jié)

自從2008第一支電注入器件被成功制備以來(lái)，GaN基VCSEL已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展.目前在紫光(約400 nm)波段、藍(lán)光(約450 nm)波段以及綠光(500～560 nm)波段都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了室溫連續(xù)激射.藍(lán)光器件最大單管輸出功率已經(jīng)達(dá)到24 mW，VCSEL陣列輸出功率已經(jīng)達(dá)到1 W以上，從輸出功率來(lái)說(shuō)藍(lán)光GaN基VCSEL目前已經(jīng)達(dá)到實(shí)用化水平.當(dāng)然，GaN基VCSEL仍面臨著諸多挑戰(zhàn)，世界范圍內(nèi)的研發(fā)人員正在努力解決晶體質(zhì)量、器件壽命、生產(chǎn)成本以及晶圓大面積均勻性等問(wèn)題.這些技術(shù)問(wèn)題解決之后，GaN基VCSEL必將迎來(lái)商業(yè)化應(yīng)用，也勢(shì)必會(huì)給人們生活的方方面面帶來(lái)巨大的影響.

致謝：特別感謝中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所劉建平研究員在材料外延方面的支持.