典型的四种VCSEL结构解析

典型的VCSEL结构主要由p型DBR、n型DBR与光学共振腔所组成。上下DBR提供纵向的光学共振腔，然而在横方向的电流局限与光学局限上仍需进一步适当的设计与对应方式。如图3-14所示，VCSEL主要有四种典型的基本结构：蚀刻空气柱结构（etched air-post）、离子布植式结构（ion implanted）、再成长掩埋异质结构（regrown buried heterostructure）与氧化局限结构（oxide-confined）。接下来我们将分别针对这四种结构作介绍，其中由于氧化局限式VCSEL结构可以同时提供横向的载子与光学局限，也是目前最常使用的技术。

首先，形成横方向光与电局限最简单的方式即是蚀刻出一个桂状或是平台状的结构，如图3-14（a）所示。为了要求制作出横方向具有微小截面积与平坦的垂直侧壁，这种蚀刻制程必须借由化学辅助离子束蚀刻或是反应离子蚀刻技术［27］-［30］。由于蚀刻后的结构造成空气与半导体之间具有很大的折射率差异，因此在横方向上具有强烈的光学局限，由于中央和周围的折射率差异太大，高次横向模态可以存在，因此在这种结构下的VCSEL通常在达到阈值电流后会表现出多重横向模态［31］。除此之外，蚀刻空气桂结构容易因为蚀刻而造成侧壁的破坏形成非辐射复合中心，进而增加阈值电流，此外随着蚀刻深度的加深将会增加光学的绕射损失与随之而来严重的热阻等问题，都是制作蚀刻空气柱结构时必须考量的重点。

其次，如图3-14（b）结构所示，利用离子布植技术来定义出横方向的电流注入区，其原理是利用高能量的质子或离子束将其布植于上DBR的区域造成晶体结构的破坏而形成绝缘体。因此注入电流将会被局限在中央主动区的小区域，然而如何避免因为离子布植而造成主动区的损坏将是制作此种VCSEL结构的重点，因为主动区被离子轰击而破坏后将会导致严重的非辐射复合，而增加阈值电流。虽然电流路径能被离子布植技术所定义，但是此种结构并不存在横方向的光学局限机制，因此横方向的光学局限将是由热引起的正折射率差异与因载子注入所引起的负折射率差异之间的相互竞争所决定［211［32］，在此情形下，由于空间烧洞（spatial hole burning） 效应的存在使得离子布植VCSEL结构具有非常复杂的多重横向模态［33］。

第三种VCSEL结构是利用再成长掩埋异质结构的VCSEL，这种结构与蚀刻空气柱VCSEL结构比较，可以有效避免过大的横向折射率差异所引起的高次模态行为，并可以提高散热效率，如图3-14（c） 结构所示。此结构利用蚀刻技术去除共振腔周围的材料，然后接着利用再成长的方式将被蚀刻的区域取代为高能隙与低折射率的材料，利用此项技术可以同时达到横方向光与电流局限的需求。然而制作再成长掩埋异质结构的VCSEL需要相当高的技术门槛，这是由于通常再成长的材料必须含有高铝含量的材料才能达到高能隙与低折射率材料的要求，但是高铝含量的材料很容易氧化，在再成长前去除自然氧化的部分是相当困难的，所以特殊的蚀刻技术与避免空气的曝露都是磊晶再成长的重要技术。

至于第四种结构则是相对而言制作上较为方便的方式，利用选择性氧化的方式可以同时达到横方向光与电的局限，如图3-14（d）结构所示。因为氧化层的形成是利用转换DBR中高铝含量的AlGaAs材料成为绝缘的AlOx氧化物，在VCSEL共振腔周围形成氧化物，可以限制电流往中央的主动区流动，氧化层同时具备低折射率的特性以达到光学局限的效果。氧化层的位置可以被设计在VCSEL的DBR内不同位置，愈靠近主动层，对于载子与光学的局限愈好，若将氧化层设计在光学共振驻波的峰值位置，光学局限的效果非常强烈；若设计在光学共振驻波的节点位置，比较容易达到单模操作并可以避免光经过氧化层的散射损失。