蔡麗娥，張保平，張江勇，沈漢鑫，朱文章

(1.廈門理工學院 光電與通信工程學院，福建 廈門　361024；2.福建省光電信息材料與器件重點實驗室，福建 廈門　361024;3.廈門大學信息學院 電子系，福建 廈門　361005)

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GaN基藍光VCSEL的制備及光學特性

蔡麗娥1,2*，張保平3，張江勇3，沈漢鑫1,2，朱文章1,2

(1.廈門理工學院 光電與通信工程學院，福建 廈門361024；2.福建省光電信息材料與器件重點實驗室，福建 廈門361024;3.廈門大學信息學院 電子系，福建 廈門361005)

利用金屬有機物氣相沉積技術(MOCVD)在(0001)藍寶石襯底上生長了 GaN 基垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL) 的多量子阱腔層結構。X射線衍射測量顯示該多量子阱具有良好周期結構和平整界面。運用鍵合及激光剝離技術將該外延片制作成 VCSEL，頂部和底部反射鏡為極高反射率的介質膜分布布拉格反射鏡 (DBR)。在室溫、紫外脈沖激光的泵浦條件下，觀察到了VCSEL明顯的激射現(xiàn)象，峰值波長位于447.7 nm，半高寬為0.11 nm，自發(fā)輻射因子約為6.0×10-2，閾值能量密度約為8.8 mJ/cm2。在大幅度降低制作難度的情況下，得到目前國際最好結果同樣數(shù)量級的激射閾值。降低器件制作難度有利于制備的重復性，有利于器件的產品化。

氮化鎵；垂直腔面發(fā)射激光器；激光剝離技術；光泵浦；激射

*Corresponding Author,E-mail:liecai@xmut.edu.cn

1　引　　言

本世紀以來，GaN 基光電子器件正經歷快速發(fā)展階段，其中 LED 和邊發(fā)射激光器已經實現(xiàn)產業(yè)化，但是具有更優(yōu)越特性的垂直腔面發(fā)射激光器 (VCSEL) 仍處于實驗室研究階段。垂直腔面發(fā)射激光器的獨特優(yōu)點包括閾值電流低、易實現(xiàn)單縱模工作、調制頻率高、發(fā)散角度小、圓形光斑、易與光纖耦合、易實現(xiàn)高密度二維陣列及光電集成等。 VCSEL憑借以上優(yōu)勢，在高密度光存儲、激光顯示、激光打印、照明、光互連、光交換及水陸通信等領域具有廣闊的應用前景[1-14]。然而，由于自身結構的特殊性，其激射條件非?？量?。由于其腔長短，僅幾微米長，所以單程增益長度極短，不但要求制作的材料質量良好，還要求反射鏡的反射率極高，通常要求達到 99% 以上。除此之外，還要確保其發(fā)光波長落在分布布拉格反射鏡(DBR)的高反帶之內、確保諧振腔的諧振波長與有源區(qū)的增益峰對準等才能得到激射，所以制備十分困難。

然而，GaN 系列材料由于自身固有的特性，相互之間折射率差較小，所以制作的氮化物DBR 高反帶帶寬較窄；并且GaN基材料(包括GaN、AlN、InN及其三元合金)之間存在著較大的晶格失配，生長高質量的氮化物 DBR 非常困難；另外，GaN 材料熔點高、硬度大，化學性質穩(wěn)定，難以采用機械研磨和化學腐蝕的方法對其厚度進行大幅調節(jié)，使得光腔的諧振波長與有源區(qū)增益的峰值波長匹配難度較大。從2000年開始，陸續(xù)有研究小組實現(xiàn)了光泵激射[1-7]；2008年以來，中國臺灣、日本、美國、瑞士、中國廈門大學等7個研究小組相繼實現(xiàn)了電注入的突破[8-14]。但是，由于器件制備的復雜性和激射條件的苛刻性，所以制備的重復性較差，器件離實用化還有相當長的距離，GaN 基VCSEL 的研究還處于初始階段，還需要不斷的努力。

本研究通過合理設計 VCSEL 的器件結構，運用鍵合及激光剝離技術，制備了GaN 基雙介質膜 DBR 藍光 VCSEL，實現(xiàn)了室溫光泵浦激射，測量了在不同激發(fā)光強度下的發(fā)射譜線，并對其激射特性進行了分析。

2　實　　驗

圖1為具有雙介質膜DBR的藍光VCSEL結構示意圖。激光器的設計波長λ為450 nm。VCSEL的結構主要分為3部分，底部和頂部是周期數(shù)為13.5對的高反射率Ta2O5/SiO2介質膜DBRs，中間是光學厚度約為21.5個波長的腔層。介質膜DBRs高反射帶的反射率大于99.5%，阻帶寬度約為80 nm。GaN基藍光VCSEL腔層部分采用金屬有機物氣相沉積技術在(0001)晶向藍寶襯底(直徑2 in)上生長，具體結構包括：30 nm厚低溫GaN成核層；2.2 μm厚GaN緩沖層；厚度為0.71 μm的上下 Al0.07Ga0.93N 包層；208 nm 厚 InGaN/GaN 多量子阱有源增益區(qū)；120 nm GaN頂層。其中，有源增益區(qū)為16對In0.15Ga0.85N/GaN 多量子阱，阱層厚3 nm，壘層厚10 nm，總厚度大約對應1個波長光學厚度，因此肯定有量子阱落在諧振腔內的光場波峰上，解決了量子阱有源區(qū)與光場波峰匹配的問題。整個VCSEL結構制備工藝流程為：在外延樣品表面濺射Ta2O5/SiO2介質膜DBR，采用鍵合技術把沉積完介質膜的表面鍵合到石英襯底，再運用激光剝離技術去除藍寶石襯底，最后在激光剝離后露出的GaN面上沉積第2個Ta2O5/SiO2DBR，完成器件制作。

圖1具有雙介質膜分布布拉格反射鏡的垂直腔面發(fā)射激光器結構示意圖

Fig.1Schematic diagram of GaN-based VCSEL with dielectric DBRs

利用X射線衍射對外延片結構進行測量。利用紫外-可見分光光度計測量介質膜DBR的反射率。以YAG激光器的三倍頻脈沖光(355 nm)作為激發(fā)源對器件的激射特性進行分析。通過CCD光譜儀采集光譜信號。

3　結果與討論

圖2為器件外延結構(0002)面在ω-2θ掃描方式下的雙晶X射線衍射曲線。中間衍射主峰的半峰寬為462 arcsec。本結構的GaN勢壘層厚度較薄，但是衍射曲線依然明顯表現(xiàn)出InGaN/GaN量子阱的衛(wèi)星峰結構，表明腔層的多量子阱周期結構良好且界面平整。本測試設備的X射線波長為0.154 056 nm，衍射角θ=17.284 6°，圖中兩個衛(wèi)星峰之間的間距為1 281 arcsec。通過公式D=λ/(2Δθcosθ) 可以計算出多量子阱的周期厚度，把測量結果Δθ=1 281 arcsec代入，算得厚度D=12.996 nm，這與預設情況基本一致。

圖2器件外延結構(0002)面的ω-2θ掃描方式下的衍射強度分布圖

Fig.2ω-2θ XRD scan curve of the (0002) crystal plane of the device epitaxial structure

以上測試結果表明，器件外延結構樣品的多量子阱周期結構良好且界面平整。

圖 3(a)給出了VCSEL發(fā)射譜線強度隨泵浦光能量的變化，測量溫度為室溫。藍光VCSEL的激發(fā)光源采用YAG激光器三倍頻的脈沖光355 nm，脈沖寬度為5 ns，頻率為50 Hz。從圖中可以清晰觀察到，器件的發(fā)光譜強度隨泵浦光能量的增加而越來越大。在泵浦光能量達到閾值能量以上時，發(fā)光譜出現(xiàn)一個半高寬約為0.11 nm 的尖銳發(fā)光峰，峰值波長為447.7 nm，其發(fā)光強度隨泵浦光能量的增加而急劇增大。這一結果顯示器件實現(xiàn)了光泵浦條件下的室溫激光發(fā)射。在發(fā)光譜的左邊有一條發(fā)光較弱的峰，峰值波長位于446.31 nm，與激射譜447.7 nm間隔為1.69 nm。根據諧振腔光學長度估算，縱模間距約為10.5 nm。因為兩個發(fā)光峰之間的距離不滿足縱模間距，所以左邊的弱發(fā)光峰可能是由于量子阱中銦組分不均勻導致的，這種情況也出現(xiàn)在文獻[15]的結果中。

圖 3(b)為器件激射峰的發(fā)光強度隨泵浦激光能量的變化曲線。圖中顯示，器件存在一個明顯的閾值。當泵浦激光能量在閾值能量以下時，器件的發(fā)光很弱；而在閾值能量以上時，發(fā)光強度急劇增大。激射閾值能量為2 μJ/pulse，其對應的閾值能量密度約為8.8 mJ/cm2。與其他研究小組的光泵浦激射結果[1-7]相比，這一結果已達到目前報道閾值的最低量級。

圖4為雙對數(shù)坐標下器件發(fā)光強度隨激發(fā)光能量的變化曲線。在半導體激光器中，進入一個模式的自發(fā)發(fā)射光子數(shù)占總自發(fā)輻射光子數(shù)的比例為這個模式的自發(fā)發(fā)射因子，反映了自發(fā)發(fā)射譜耦合進入激射模式中的比例，是衡量激光器性能的一個重要參數(shù)。自發(fā)發(fā)射因子的數(shù)值可以從激射光能量隨激發(fā)光能量的變化中得出，在忽略透明載流子密度的情況下，其自發(fā)發(fā)射因子可以利用公式[16-17]：

圖3(a)藍光VCSEL樣品在不同激發(fā)光強度下的發(fā)射譜線；(b)發(fā)光強度隨泵浦激光能量的變化曲線。

Fig.3(a) Emission spectra at various pumping energies.(b) Emission intensity as a function of pumping energy per pulse.The threshold of the device is 2 μJ/pulse.

圖4雙對數(shù)坐標下的樣品發(fā)光強度隨激發(fā)能量的變化曲線

Fig.4Emission intensities from Fig.3(b) replotted in a double logarithmic scale

(1)

我們曾經報道了與本研究波長相近同屬于藍光波段激射的結果[7]，發(fā)光波長位于449.5 nm，閾值為6.5 mJ/cm2。其中利用了非對稱耦合量子阱有源區(qū)結構,減小器件的諧振腔長以及量子阱個數(shù)，使增益匹配及載流子利用率得到了改善，也得到了比較低的激射閾值。但是這種方法必須精確控制生長層厚度，增加了外延生長的難度。

目前，光泵浦激射最好的結果是廈門大學Liu等[18]在2015年報道的閾值為1.2 mJ/cm2、峰值波長為423.7 nm 的結果。其中除了運用激光剝離技術去除外延片上的藍寶襯底外，還利用ICP刻蝕技術減少腔長，利用化學拋光處理激光剝離后的GaN表面，使表面達到納米級別的粗糙度，進一步降低了激射閾值。而本研究使用普通多量子阱結構，省略了ICP和拋光兩個繁難步驟，在大幅度降低制作難度的情況下，得到了同樣數(shù)量級的激射閾值。

4　結　　論

用MOCVD生長了高質量的GaN基垂直腔面發(fā)射激光器腔層結構，有源增益區(qū)為長周期的InGaN/GaN多量子阱。X射線衍射測量顯示，多量子阱周期結構良好且界面平整。通過鍵合及激光剝離技術，用該外延片制作了 VCSEL，反射鏡為極高反射率的介質膜 DBR。GaN 基 VCSEL 在室溫、光泵浦條件下觀察到了激射，峰值波長為 447.7 nm，半高寬為0.11 nm，自發(fā)輻射因子約為6.0×10-2，閾值能量密度約為8.8 mJ/cm2。本研究在大幅度降低制作難度的情況下，得到了與目前國際最好結果同樣數(shù)量級的激射閾值。降低器件制作難度有利于制備的重復性，有利于器件的產品化。本研究為優(yōu)化電注入VCSEL提供了有益的參考。

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蔡麗娥(1975-)，女，福建莆田人，博士，講師，2011年于廈門大學獲得博士學位，主要從事半導體光電子器件方面的研究。

E-mail:liecai@xmut.edu.cn

Fabrication and Characteristics of GaN-based Blue VCSEL

CAI Li-e1,2*,ZHANG Bao-ping3,ZHANG Jiang-yong3,SHEN Han-xin1,2,ZHU Wen-zhang1,2

(1.School of Optoelectronics & Communication Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China；2.Fujian Provincial Key Laboratory of Optoelectronic Information Materials & Devices，Xiamen 361024，China;3.Department of Electronic Engineering,Xiamen University,Xiamen 361005,China)

GaN-based multiple quantum wells (MQWs) were epitaxially grown on (0001)-oriented sapphire substrate by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) technique.X-ray diffraction measurements indicated that the MQWs had good periodic structure and smooth interface.By employing bonding and laser lift-off techniques,the MQW structure was sandwiched between two high reflectivity dielectric distributed Bragg reflectors (DBRs),forming a vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL).Under optical pumping,the VCSEL achieved laser action at room temperature with a threshold pumping energy density of about 8.8 mJ/cm2.The laser emitted a blue light at 447.7 nm with a narrow linewidth of 0.11 nm,and had a high spontaneous emission factor of about 6.0×10-2.

GaN; VCSEL；laser lift-off；optical pumping；lasing

1000-7032(2016)04-0452-05

2015-12-17；

2016-02-03

國家自然科學基金(61307115)；福建省教育廳 A 類科技項目(JA12249)；廈門理工學院高校高層次人才基金(YKJ11026R)；福建省自然科學基金(2013J05104)資助項目

TN248.4

A

10.3788/fgxb20163704.0452