氮化镓（GaN）垂直腔表面发射激光器（VCSEL）是一种半导体激光二极管，在自适应大灯、视网膜扫描显示器、护理点测试系统和高速可见光通信系统等多个领域都有广阔的应用前景。它们的高效率和低制造成本使其在这些应用中特别具有吸引力。

功率转换效率超过 20% 的氮化镓紫色表面发光激光器。资料来源：Tetsuya Takeuchi / 名城大学

GaN-VCSEL 由两层被称为分布式布拉格反射镜 (DBR) 的特殊半导体反射镜组成，中间由有源 GaN 半导体层隔开，形成光谐振腔，激光就在其中产生。谐振腔的长度对于控制目标激光波长（即谐振波长）至关重要。

迄今为止，已开发出两种基于氮化镓的 VCSEL 结构：一种是底部介质 DBR，另一种是底部氮化铝铟（AlInN）/氮化镓 DBR。这两种结构都能产生光输出功率超过 20 毫瓦、壁塞效率（WPE）超过 10%的 VSCEL。然而，AlInN/GaN DBR 的停止波长带宽较窄，因此 VCSEL 只能发射窄波长范围内的光。

此外，传统的腔体长度控制方法需要对测试腔体层进行预实验，以确定其生长速度，这会导致 VCSEL 腔体的估计厚度和最终厚度之间存在误差。这种误差会导致共振波长超出 AlInN/GaN DBR 的窄停止带宽，从而严重影响性能。

腔长控制的创新

为了解决这个问题，在最近的一项研究中，日本名城大学材料科学与工程系教授竹内哲也领导的研究人员为基于氮化镓的 VCSEL 光腔开发了一种新的原位 腔长控制方法。通过利用原位反射率光谱测量精确控制氮化镓层的生长，研究人员实现了精确的腔长控制，与目标谐振波长的偏差仅为 0.5%。现在，他们进一步扩展了这一创新技术，并展示了完整 VSCEL 的腔长控制。

竹内教授解释说："VCSEL 的腔体不仅包含氮化镓层，还包含氧化铟锡 (ITO) 电极和五氧化二铌 (Nb2O5) 间隔层，而这些都无法通过相同的原位反射率光谱测量系统进行控制。在这项研究中，我们开发了一种精确校准这些附加层厚度的技术，从而实现了高效的 VCSEL。"他们的研究成果发表在《应用物理通讯》（Applied Physics Letters）杂志第124卷第13期上。

附加层的校准技术

为了校准附加层的厚度，研究人员首先在使用原位空腔控制生长的 GaN 测试结构上沉积了不同厚度的 ITO 电极和Nb2O5间隔层。鉴于原位反射率测量无法用于这些附加层，他们直接使用原位反射率光谱测量来评估这些测试空腔结构的共振波长。获得的共振波长发生了红移，即随着 ITO 和Nb2O5层厚度的增加，波长也随之增加。

接下来，研究人员绘制了共振波长偏移与 ITO 和Nb2O5层 厚度的函数关系图，从而获得了有关其光学厚度的准确信息。他们利用这些信息精确校准了目标 VCSEL 共振波长的 ITO 层和Nb2O5层厚度。这种方法产生的共振波长控制偏差非常小，在 3% 以内，在光学厚度方面可与现场控制方法相媲美。

最后，研究人员通过在利用原位 腔体控制技术生长的 VCSEL 腔体中加入调谐 ITO 电极和Nb2O5间隔层，制造出了孔径大小为 5 至 20 µm 的 GaN-VCSEL。这些 VCSEL 的峰值发射波长与设计共振波长的偏差仅为 0.1%。值得注意的是，得益于精确的腔长控制，5 微米孔径的 VCSEL 实现了 21.1% 的 WPE，这是一项重大成就。

竹内教授总结说："就像高精度的刻度尺可以制造精细的架子一样，精确地使用氮化镓层的原位厚度控制，结合ITO电极和Nb2O5间隔层的厚度校准，可以实现VCSEL的高度可控制造，是获得高性能和高可重复性的氮化镓基VCSEL的有力工具，可用于高效光电设备。"

编译来源：ScitechDaily