Nichia提高了蓝色和绿色VCSEL效率的标准

具有介电镜和GaN基镜的VCSEL打破了效率记录

Nichia声称已打破基于GaN的蓝色和绿色VCSEL的效率记录

在三月份的SPIE Photonics West会议上宣布的这一胜利，由这家日本LED和激光二极管制造商重回了基于GaN的VCSEL开发的最前沿。 Nichia早在十多年前就率先推出此类激光器，生产了世界上第一款在室温下以连续波模式工作的GaN基VCSEL，之后似乎放弃了多年的进一步发展。

Terao先生代表公司在Photonics West上发表讲话时透露，这些VCSEL的主要目标是智能眼镜中的光源。在这些视网膜显示器中，红色，绿色和蓝色光源最多只需要产生一毫瓦的功率，这是该团队的最新激光器所能达到的规格。

Terao说，在智能眼镜中使用VCSEL而不是边缘发射激光器的优点之一是低得多的阈值电流。由于发射量降低了一个数量级，因此约为1 mW，而不是10 mW或更高。由于较低的阈值电流，功耗降低，从而延长了电池寿命。

 “ VCSEL的另一个特点是峰值功率饱和，由于自加热，其输出功率低于边缘发射激光器的输出功率。”Terao说， “这确保了眼睛的安全。”

Nichia首次涉足VCSEL开发，取得了许多初步成功。那个时代的里程碑包括2008年以连续模式工作的发射紫色光的室温VCSEL，以及2011年和2012年的蓝绿VCSEL。

但是，这种设计的制造工艺，以一对介电镜为特征，与大规模生产不兼容。为了定义空腔的尺寸，必须从基板上去除外延层并抛光至理想厚度。不幸的是，这不能常规地在纳米尺度上完成，从而妨碍了以可接受的产量进行大规模生产。

为了克服这个问题，Terao及其同事已经转向一种设计，该设计结合了基于Al0.8In0.2N / GaN分布式布拉格反射器底镜和电介质顶镜。尽管他们不是该体系结构的先驱，但他们已经取得了重大进展，包括首次发射绿色激光，以及各种形式的GaN基VCSEL的破纪录效率。

该团队生产的蓝色VCSEL具有：由SiO₂和Nb₂O₅配对制成的电介质DBR；通过钝化p-GaN表面定义的直径为4 µm的孔；腔长度仅为4.5λ，确保这种设计对于单模激光而言足够短。

这些器件的发射波长为442.3 nm，具有0.40 mA和3.75 V的阈值电流和电压，并产生13.6％的电光转换效率。对其中七个器件的测量表明，在25℃下运行时可产生0.6 mW的功率，可显示超过1000小时的稳定连续波运行。

这些蓝色VCSEL由2英寸GaN衬底的外延片制备，其成品率超过90％。该图考虑了小于4毫米的去除区，去除了非常靠近晶圆边缘的材料，因为该区域光刻工艺不稳定。

在1 mA，3 mA和5 mA的驱动电流下测量发现VCSEL有一个单峰，表明VCSEL具有稳定的单个纵向和单个横向模式。由于自加热导致的折射率变化，发射波长偏移了0.11 nm / mA。 Terao称，对自加热的进一步研究发现0.017 nm / degC的变化小于边发射激光器的变化。

这个团队的绿色VCSEL的设计与其蓝色表亲非常相似。 Terao说，主要的区别是更大的孔径-它已从4 µm扩大到5 µm-以防止驱动电压增加。绿色VCSEL还具有较薄的有源层，以抑制压电场。

绿色VCSEL的发射波长为514.9 nm，其特性包括：电光转换效率为3.7％，阈值电压为5.02 V，阈值电流为2.8 mA。光输出功率超过1.5 mW，打破了Sony以前的0.1 mW记录。

K. Terao et al. SPIE Photonics West 11686-1 (2021)