GaN VCSELs：生产流程的精细化

腔体厚度的优越控制增强了对发射波长的精控能力

日本工程师开发了一种创新的生产过程，用于制造效率极高且发射波长非常接近目标值的垂直腔面发射激光器（VCSELs）。这一发展，由名城大学和日本国立先进工业科学技术研究所的研究人员合作，将有助于氮化镓基VCSELs的商业化——它们是自适应前照灯、视网膜扫描显示器以及提供现场检测和可见光通信系统的有前景的光源。

该团队生产的激光器发射波长为417.7纳米，仅比目标值低0.3纳米，并且它们产生了超过20%的电光效率峰值。

对于GaN VCSELs来说，这是一个非常令人印象深刻的效率。团队发言人名城大学的Tetsuya Takeuchi告诉 Compound Semiconductor，综合来看，尚未有任何其他团队打破了20%效率障碍的氮化镓基VCSEL。

Takeuchi及其同事的最新胜利，是在多年致力于改进生产GaN基VCSELs的过程之后取得的。这类激光器具有一对介质镜，或者是一个介质顶镜和一个由AlInN和GaN交替层形成的底镜。后者简化了制造过程，因为不需要移除基板。然而，从40对AlInN和GaN生长出高质量的镜面远非易事。

为了提高这面镜子的质量，Takeuchi和同事最初用热氢过程清洁了AlInN表面，最近又增加了反射光谱的原位测量，以增加对腔体厚度的控制。在这种改进之前，生长速率的±2%偏差有可能使腔体共振波长偏离±8纳米，潜在地将共振波长移向镜子的阻带边缘。这种令人担忧的状况可能会阻碍器件性能，最近通过引入原位监测得到了解决，确保腔体长度在目标波长的0.5%以内。

在这个突破的基础上，该团队现在正在使用垂直腔测试结构校准ITO层和N₂O₅间隔层的厚度。

选择这种特定方法的部分原因是，工程团队无法获得具有原位监测的溅射系统，据Takeuchi说：“另一个原因是，总厚度仅为腔体内GaN基层总厚度的十分之一，所以ITO/N₂O₅的厚度偏差不是很关键。”

采用10对AlInN和GaN的调查确定，当溅射ITO和N₂O₅时，就共振波长而言，控制精度为±3%。然而，由于该团队的VCSEL设计采用了4λ腔，而两个氧化物层的厚度仅为0.3λ，由这对氧化物层实际导致的厚度偏差大约是GaN基3.7λ腔的一半。

△ 5纳米高的台脊确保了侧向电流和光限制。

该团队将这种腔体设计纳入了一系列VCSELs的产品组合中，这些VCSELs具有5纳米高的台脊，直径分别为5微米、8微米、10微米、15微米和20微米。通过BCl₃干法蚀刻定义的台脊确保了侧向电流和光限制。

该团队的晶圆上测量显示，在417.7纳米处激光，仅比418纳米的目标偏离了0.1%。具有8微米直径孔径的变体产生了最强大的发射，峰值达到13.1毫瓦，是该团队之前最佳表现的三倍。就电光效率而言，5微米直径孔径的设计提供了最令人印象深刻的性能，效率在8.44毫安的驱动电流下达到峰值21.3%，产生了近10毫瓦的输出功率。

Takeuchi认为封装将提高器件性能，但不会太多。他和他的同事现在正试图将电光效率提高到大约40%。

参考文献

R. Watanabe et al. Appl. Phys. Lett. 124 131107 (2024)