上述實驗結果為近年來局限在光激發的氮化鎵VCSEL的結果,一直到2008年,作者實驗室首次在77 K下成功制作出第一個電激發氮化鎵VCSEL,其雷射結構為混合式DBR VCSEL結構,如圖7-8所示。下DBR為29對AlN/GaN DBR,之后成長790nm的n型氮化鎵與10對的In0.2Ga0.8N/GaN多量子井結構,最后成長120nm的p型氮化鎵,整體共振腔厚度約5λ,其波長設計在460nm,這是為了避免表面透明導電層銦錫氧化物(ITO)對光的吸收。完成磊晶成長與ITO之后,最后鍍上8對的Ta2O5/SiO2上DBR形成混合式DBR VCSEL結構。由于雷射結構中的AIN/GaN下DBR為未摻雜,故為不導電材料,因此必須將元件設計成intra cavity結構,使n型與p型電極在元件同一側,雷射發光孔徑為10μm,ITO厚度設計為1λ使其在波長460 nm之穿透率高達98.6%。
圖7-9(a)為29對AIN/GaN DBR與8對Ta2O5/SiO2DBR之反射頻譜圖,其中平坦的禁止帶表示了高品質的AIN/GaN DBR結構,其最高反射率約為99.4%且禁止帶寬度約為25 nm,而上DBR最高反射率約為99%。圖7-9(b)為室溫下利用He-Cd雷射激發的光激發頻譜,共振腔波長約為454.3 nm且Q值可高達2200,再次表示了高品質的晶體結構與上下DBR的高反射率。
圖7-10為電激發氮化鎵VCSEL于77 K下量測的電流、電壓與輸出強度關系圖,元件的起始電壓(turn-on voltage)約為4.1 V,相對高的電壓值可能由于微小的電流孔徑與intra cavity結構所致。而電流與發光強度的關系可觀察到明顯的雷射現象,其雷射閾值電流約為1.4mA,所對應的電流密度約為1.8 kA/cm2。圖7-11為不同注入電流下之雷射頻譜圖,當注入電流大于閾值電流時,波長在462.8 nm出現單一的雷射訊號。圖7-11中的插圖為不同注入電流下的訊號半高寬值,可以發現在閾值電流之后訊號半高寬明顯下降,另一張插圖顯示注入電流為1mA下之元件孔徑強度分布圖,圖中可以觀察到空間上強度分布的不均勻,有可能是銦在空間上的分布不均所導致。
除了上述低溫下電激發的氮化鎵VCSEL之外,在2008年末,Nichia公司發表了室溫下連續操作的氮化鎵VCSEL,其雷射結構是利用雷射剝離技術制作而成的上下介電質DBR結構,主動層是由2對InGaN/GaN多量子井結構所組成,上下DBR分別為7對與11.5對的SiO2/Nb2O5DBR,其中ITO配合共振腔中的光場分布設計在光學駐波的節點上,而在共振腔厚度方面,他們更利用化學機械研磨技術(chemical-mechanical polishing,CMP)將n型氮化鎵的厚度減薄,使整體共振腔厚度只有約1.1μm,相當于7倍的光學波長厚度。其雷射的閾值電流約為7 mA,對應的電流密度約為13.9kA/cm2,起始電壓約為4.3 V,當注入電流為12 mA時對應的雷射功率為0.14mW。觀察其不同注入電流下之發光頻譜圖,當注入電流小于閾值電流時,可以明顯看到高階橫向模態的分布,且訊號半高寬約為0.11 nm,而當注入電流為1.1倍的閾值電流時,雷射訊號波長為414.4 nm且半高寬變窄為0.03 nm。他們進一步觀察8 μm電流孔徑之近場影像,可以發現當注入電流為0.6倍的閾值電流時,發光強度均勻地涵蓋整個雷射孔徑,而當達到閾值電流之后,一個直徑大約2μm的亮點出現在靠近孔徑中心的位置,表示雷射光點大小會小于電流孔徑。
雖然于2008年研究群成功實現了低溫下與室溫下氮化鎵VCSEL的結果,然而氮化鎵VCSEL目前仍需面臨許多挑戰,包含電流分布的改善、輸出功率的提升、雷射模態的控制以及元件生命期長短等。這些問題都是將藍光氮化鎵VCSEL進一步推向商品化之前必須努力的目標。
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原文標題:電激發式藍紫光 VCSEL
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