混合式氮化镓VCSEL的研究

在混合式氮化镓VCSEL的研究，2010年本研究团队优化制程达到室温连续波操作电激发氮化镓VCSEL，此元件是以磊晶成长AlN/GaN DBR以及InGaN MQW发光层再搭配Ta2O5/SiO2氧化物DBR所实现如图7-12，其特点为在共振腔中插入了AlGaN电流阻挡层且将ITO厚度减薄至30奈米。2011年，为了达到更好的电流局限效果以及降低ITO的吸收，本研究团队移除了结构中的ITO并在共振腔中加入氮化铝的电流孔径达成腔内的电流局限效果，如图7-13，此外此电流局限孔径之折射率差更可以提供横向的光学局限，研究结果显示AIN确实有达到电流局限的目的且得到窄线宽频谱。

混合式结构直到2012年才另外有瑞士EPFL团队使用AlInN/GaN DBR搭配TiO2/SiO2氧化物DBR成功制作出室温脉冲电激发混合型GaN VCSEL，因为磊晶DBR的制作不易，在混合式VCSEL发展一直没有重大突破。在2014年瑞典查默斯科技大学（Chalmers University of Technology）提出搭配电流局限层设计与光学局限关系之模拟分析，内容探讨在制作电流局限层设计如何达到好的光场局限效果并保有优异的电性特性，如图7-14所示；在同样结构设计下在2017年引入了热透镜的概念，一般认为热在VCSEL元件是很大的问题，然而热透镜效应就是为了利用热造成材料折射系数在孔径中央变大进而达到更佳的光场局限效果，但是结果仅止于模拟，到目前为止尚未有实验证实。

而本实验室之研究团队也于2014年提出电流局限层之设计如图7-15所示，并进一步模拟分析电性与光场分布状态，并提出同时可满足压抑高阶模态与预测和控制载子流向之行为的新颖设计，提供最佳的指导方针于室温电激发元件的制作上，同年也制作出浅蚀刻的结构，其品质因子 （quality factor）高达2600之共振腔，证明此结构具有横向光学局限效果；并在2017年将此结构成功制作在电激发元件中，在p-GaN蚀刻30nm的深度并回填SiO2以达到电流局限层并同时具有光场局限效果如图7-16。虽然在结构上对于电流特性与光场局限设计有不同探讨，但是碍于制程技术的限制，稳定制作出GaN VCSEL已经是一大挑战，进一步改善结构增加元件特性仅止于模拟分析。2016年，台湾台科大团队成功制作出混合式GaN VCSEL，他们尝试蚀刻p-GaN制作光学局限层，且利用Si扩散制作出电流局限层，最后成功制作出3μm直径之电流局限图案，并观察到雷射现象，如图7-17。

随着氮化镓磊晶技术的提升，日本名城大学团队发表了多篇混合式DBR为主的GaN VCSEL研究结果，蓝紫光GaN VCSEL的操作特性才有重大的突破，虽然成长使用昂贵的GaN基板，但也因此得到高品质的磊晶结构。尽管磊晶DBR不容易达到极高的反射率，此团队利用此特点，将磊晶DBR设计反射率较低并让元件以下出光方式，因而得到极好的雷射出光效果，其输出功率可达3mw以上，此外其元件不只在室温下连续操作，因为使用GaN基板与磊晶DBR使得此结构有优异的散热效果，让操作温度甚至可达85°C。日本名城大学团队与名古屋大学团队合作，凭借着优异的经验与制程技术为基础，着力于光场设计以达到更好的出光效果，在图7-18中借由加入高折射率材料于介电质反射镜与GaN介面中光学局限层的范围，因为在电流局限范围内较厚，其外围是较低折射率材料进而达到光学局限的效果；同一年日本名城大学团队也与横滨Stanley电气公司研发实验室合作提出了另一结构，针对此概念在2018年名城大学团队在混合式DBR结构中，蚀刻p-GaN并回SiO2作为电流局限层与光学局限层，并观察到雷射现象，其出光功率达到了6 mW，如图7-19。混合式GaN VCSEL在磊晶与制程技术提升下，在雷射输出功率也达到非常高的输出，但是必须使用昂贵的GaN基板是一大问题，此外下出光是利用抛光减薄并沉积抗反射层（anti-reflection, AR）以达到高出光效果，如何大面积的制作元件是另一项问题。