光激发蓝紫光VCSEL技术

在氮化镓蓝光VCSEL发展方面，1996年Redwing等人成功制作了第一个室温下光激发的氮化镓VCSEL，其元件结构由10μm厚的GaN主动层与30对Al0.12Ga0.88N/Al0.4Ga0.6N构成上下DBR，其反射率大约为84～93%，因此阈值光激发能量密度高达2.0MW/cm2。其后，Arakawa等人在1998年实现了在低温77 K下观察到雷射行为，其3λ光学厚度的共振腔成长于35对Al0.34Ga0.66N/GaN DBR上，而上DBR则为6对的TiO2/SiO2所组成，此即为混合式DBR VCSEL结构，其中上下DBR的反射率分别为97%与98%。而1999年Song等人则使用雷射剥离技术，成功制作了上下DBR皆为10对SiO2/HfO2所组成的氮化镓VCSEL结构，因此反射率高达99.9%，所对应的共振腔Q值也高达600。同年，Someya等人报导了室温下混合式DBR氮化镓蓝光VCSEL，在光激发下雷射波长为399 nm，且雷射光谱半高宽只有0.1 nm。

上述氮化镓VCSEL发展主要为2000年之前的结果，在2000年之后的发展主要集中在研究降低光激发的阈值能量密度，以及观察光激发下的雷射特性。2005年，交通大学Kao等人利用金属有机化学气相沉积系统成功制作了室温下光激发混合式DBR氮化镓蓝光VCSEL，其雷射结构由25对AlN/GaN下DBR、3λ光学共振腔及8对的Ta2O5/SiO2上DBR所组成，如图7-3所示。其中共振腔由10对的In0.2Ga0.8N/GaN多重量子井结构所组成，而下DBR则每5对AlN/GaN插入5对的AlN/GaN超晶格结构以释放应力，其最大反射率分别为97.5%（Ta2O5/SiO2 DBR）与94%（AlN/GaN DBR）。为了进一步观察雷射特性，他们使用光激发光源为三倍频之Nd:YVO4脉冲式雷射，雷射波长为355 nm，图7-4为雷射激发能量与VCSEL光输出强度关系，由图中可以发现明显的光强度非线性转折点，其对应的阈值激发能量密度约为53 mJ/cm2。

至于上下DBR皆利用介电质氧化物制作而成的氮化镓VCSEL，交通大学Chu等人亦在2006年成功制作出此类型的VCSEL，并在室温光激发下观察到雷射的现象。他们先利用金属有机化学气相沉积系统成长10对In0.1Ga0.9N/GaN多量子井结构，接着镀上6对的SiO2/TiO2 DBR于磊晶结构上，其反射率大约99.5%。再配合雷射剥离技术去除蓝宝石基板与适当的研磨后，再镀上8对的SiO2/Ta2O5 DBR，其反射率约为97%，图7-5为其制作流程示意图。

图7-6为室温下量测雷射激发能量与VCSEL光输出强度关系，当雷射激发功率约为270nJ时可以观察到雷射现象，其对应的阈值光激发密度约为21.5 m.J/cm2。此外，由于利用雷射剥离技术时必须保留适当的共振腔厚度以避免量子井遭受高能量雷射的破坏，因此也造成整体的共振腔厚度大约有4μm，这样的厚度也反应到光激发光谱上，如图7-7所示，在达到雷射阈值激发密度之前，光谱中可以观察到共振腔中的多重纵向模态，然而在激发能量达到雷射之后，只有单一纵向模态会产生雷射，其波长通常落于主动区增益频谱的最大值附近。