制造高效GaN基VCSEL的新方法

日本团队开发出精确控制腔长的创新方法

基于GaN的VCSEL由两层半导体反射镜（分布式布拉格反射镜，DBR）组成，中间由有源GaN半导体层隔开，形成光学谐振腔。该腔的长度对控制目标激光波长至关重要。

迄今为止，已开发出两类基于GaN的VCSEL结构。一类带有底部介电DBR，另一类带有底部AlInN/GaN DBR。两类结构都能产生光输出功率超过20 mW、电光转换效率（WPE）超过10%的VSCEL。

然而，AlInN/GaN DBR的终止波长带宽较窄，因此VCSEL只能发射波长范围较窄的光。此外，传统的腔长控制方法需要对测试腔层进行预实验，以确定其生长速度，这会导致VCSEL腔的预估厚度和最终厚度之间存在误差。这种误差会导致共振波长超出AlInN/GaN DBR的窄终止带宽，从而严重影响性能。

为了解决这个问题，在最近一项研究中，日本名城大学材料科学与工程系Tetsuya Takeuchi领导的研究人员为基于GaN的VCSEL光腔开发了一种新的原位腔长控制方法。

研究人员利用原位反射率光谱测量精确控制GaN层的生长，进而实现精确的腔长控制，与目标谐振波长的偏差仅为0.5%。

现在，研究人员进一步扩展了这一创新技术，并展示了对完整VSCEL的腔长控制。

Tetsuya Takeuchi解释道：“VCSEL的腔不仅包含GaN层，还包含氧化铟锡（ITO）电极和五氧化二铌（Nb₂O₅）间隔层，这些都无法通过相同的原位反射率光谱测量系统进行控制。在本研究中，我们开发了一种精确校准这些附加层厚度的技术，从而实现了高效VCSEL。”

研究发表在2024年3月28日出版的《应用物理通讯》（Applied Physics Letters）第124卷第13期上。

为了校准附加层的厚度，研究人员首先在使用原位腔控制生长的GaN测试结构上沉积了不同厚度的ITO电极和Nb₂O₅间隔层。鉴于原位反射率测量无法用于这些附加层，研究人员使用异位反射率光谱测量直接评估了这些测试腔结构的共振波长。获得的共振波长发生了红移，即随着ITO层和Nb₂O₅层厚度的增加，波长也随之增加。

接下来，研究人员绘制了共振波长偏移与ITO层厚度和Nb₂O₅层厚度的函数关系图，从而获得了它们光学厚度的准确信息。研究人员利用这些信息精确校准了目标VCSEL共振波长的ITO层厚度和Nb₂O₅层厚度。该方法产生的共振波长控制偏差非常小，在3%以内，在光学厚度方面可与原位控制方法相媲美。

最后，研究人员通过在使用原位腔控制法生长的VCSEL腔中加入调谐ITO电极和Nb₂O₅间隔层，制造出了孔径大小为5至20 µm的GaN-VCSEL。这些VCSEL的峰值发射波长与精心设计的共振波长间仅有0.1%的偏差。值得注意的是，得益于精确的腔长控制，5 µm孔径VCSEL实现了21.1%的电光转换效率，这是一项重大成就。

Tetsuya Takeuchi总结道：“就像高精度的标尺能够建造精细的架子一样，精确地使用GaN层的原位厚度控制，结合对ITO电极和Nb₂O₅间隔层的厚度校准，能够实现VCSEL的高度可控制造，这对高效光电器件获得高性能和高可重复性GaN基VCSEL来说是有力工具。”