运用 MOCVD 工艺生长 GaN VCSEL

GaN VCSEL 现在可配有采用 MOCVD 工艺生长的隧道结

由于 GaN VCSEL 具有圆形发射束、小尺寸和高调制带宽等特性，因而使其成为一种适合可见光通信、光学传感器、显示器和原子钟的非常有前途的器件。

遗憾的是，此类器件如今的输出功率低得令人难以置信，而且其制造也是出了名的困难。但是对于后一个问题，来自美国加州大学圣芭芭拉分校 (UCSB) 的一支团队刚刚迈出了重要的一步。该小组宣称，将仅采用 MOCVD 工艺来生长纳入了隧道结的 GaN VCSEL 结构，此举先所有人一步。

UCSB 发言人 SeungGuen Lee 解释说：“由于有效的隧道结接触难以实现，因此基于 GaN 的大多数 VCSEL 都将 ITO 用于电流散布。”然而，ITO 具有高的光吸收损耗，因而导致阈值电流较高和光输出较低。

隧道结可以解决这个问题。时光回到 2015 年，该研究小组发布报告说运用此方法获得了成功。不过，他们采用的是分子束外延 (MBE) 晶体生长技术，Lee 称这种方法“在行业内是不适用的。”

在最近的工作中他们对此采取了修补措施，运用 MOCVD 工艺生长了一个 408 nm 光源，该光源支持一个隧道结，并能产生超过 300 μW 的最大输出功率。其阈值电压几乎为 8 V。

Lee 承认，“隧道结接触的一个缺陷是需要额外的电压。”因此，对于在 LED 中使用这些隧道结是有争议的，因为它们以降低插接效率来换取光提取效率的提高。但是就 VCSEL 而言，决定是很明确的：“隧道结接触实现的改善远远超过了其需要额外电压的不足，而且，随着我们不断地推进优化，所需的额外电压将持续降低。”

为了开发一种工艺，用于激活采用 MOCVD 工艺生长的隧道结中的 p 型 GaN，Lee 和同事们对基于 LED 的测试结构进行了实验。它们的制作采用了两个生长步骤：第一步是形成 LED 结构，以 p 型 GaN 结束；第二步是添加 n 型 GaN 以形成隧道结。比较不同的表面处理和激活条件后，发现：通过将表面暴露在氟氢酸中、然后采用原位加热激活 p 型 GaN，获得了最佳的结果。

这支研究小组运用他们从实验获得的知识来制造 VCSEL。他们以生长主外延结构作为开始，然后利用台面蚀刻和铝离子注入形成电流孔径。接着，在蚀刻和沉积一个 17 周期分布式布拉格反射器（由 Ta₂O₅ 和 SiO₂ 配对形成）之前制作隧道结。然后添加金属触点，再使用倒装式芯片焊接法将该结构键合至镀覆金属的 SiC 衬底，并通过蚀刻工艺去除 GaN 衬底。最后一步是添加 n 型触点和一个 13 周期分布式布拉格反射器（同样由 Ta₂O₅ 和 SiO₂ 制成）。

生产此类 VCSEL 的成本是非常昂贵的，因为外延结构的生长是在 m 平面 GaN 衬底上进行的。Lee 说：“有人提议在倒装式芯片键合和衬底去除之后重用 GaN 衬底。”但是，之前需要做大量的工作，这道工序才能在业内使用。

采用 300 ns 脉冲和 0.3% 占空比对该研究团队的 GaN VCSEL 进行室温条件下的测量，发现：阈值电流密度为 10 kA cm^-2，阈值电压为 7.8 V。在 12 V 时，该器件产生其 319 μW 的峰值输出功率。

目前，该团队正在开发利用掩埋式隧道结（而不是离子注入）来提供电流局限的设计方案。Lee 解释说：“铝离子注入使 GaN 吸收光，因而增加了内部损耗。”这项工作尚处其初期阶段，但是 Lee 说初步结果给人的感觉是非常有希望的。

由加州大学圣芭芭拉分校的研究团队制作的 GaN 倒装式芯片 VCSEL 具有两个介质分布式布拉格反射器和一个采用 MOCVD 工艺生长的隧道结触点。

DBR：分布式布拉格反射器

MQW：多量子阱

Al Ion Implant：铝离子注入

参考文献

S.G. Lee et al. Appl. Phys. Express 11 062703 (2018)