面射型雷射发展历程

早期所谓的面射型雷射（surface emitting laser, EBL）本质上仍然是边射型雷射的延伸，基本上其元件结构的共振腔方向仍然与磊晶面互相平行，光子在水平方向的共振腔中来回震荡直到达到雷射增益阈值条件后从任一侧的蚀刻或劈裂镜面射出高准直性的同调光，再借由共振腔外部利用蚀刻或其他制程方式形成的周期性光栅［13］-［15］或45度反射镜面［16］-［18］，使原本水平方向的雷射光束转换成垂直方向，如下图1-2所示。不过这类型的面射型雷射制程相当复杂且良率与操作特性都相对低落，许多额外的制程步骤需要克服，例如雷射镜面与外部反射镜之间的光轴对准、周期性光栅或镜面蚀刻与高反射率薄膜蒸镀、外部反射镜角度微调等，每一项参数都会增加制程困难度并降低良率与可靠度，因此实际上这类技术并未获得广泛采用。

真正意义上的垂直共振腔面射型雷射（vertical cavity surface emitting lasers, VCSELs）结构是在1977年东京工业大学的伊贺健一（Kenichi Iga）教授等人所提出的概念［19］，基本上该元件是由上下两个高反射率的反射器夹着具有增益能力的活性层形成雷射共振腔结构，如下图1-3所示。该雷射结构最关键的技术在于高品质的分布布拉格反射器（distributed bragg reflector, DBR）磊晶成长，基本上是借由调整化合物半导体材料或介电质材料的化学组成，并周期性交错排列这些不同折射率的材料，如果各层厚度精确控制在四分之一波长的奇数倍时，配合适当的光入射介面边界值条件，通常是由高折射率材料入射低折射率材料的情况下，就可以形成高反射率镜面。而当时的磊晶技术尚无法获得符合雷射操作所需高反射率要求的DBR，在1979年H. Soda和Iga教授与末松安晴（YasuharuSuematsu）教授共同发表利用液相磊晶技术（liquid phase epitaxy, LPE）成长GalnAsP-InP磷砷化铟镓一磷化铟材料所制作的第一个垂直共振腔面射型雷射［20］，发光波长在1.2微米范围，因为所采用的发光材料是磷化铟/磷砷化铟镓系列材料双异质接面结构，该材料组合导带能障差异（conduction band offset）较小所以对于注入载子局限能力改善有限，因此初期只能在77K液态氮冷却的低温环境下以脉冲方式操作，直到1984年改采用载子局限能力更优异的砷化镓/砷化铝镓系列材料，才在实验室阶段达成室温下脉冲操作，发光波长为874nm［21］，在1988年由Fumio Koyama与Iga教授团队进一步达成室温下连续波操作［22］［23］，该团队采用的磊晶成长技术已经由先前制作半导体雷射二极体时所用的液相磊晶法转换为更先进的有机金属化学气相沉积法（metalorganic chemical vapordeposition, MOCVD，也称为metalorganic vapor phase epitaxy, MOVPE），这也是目前绝大多数化合物半导体发光元件及高速电子元件所采用的主流磊晶技术。大约同时期在1989年美国电话电报公司AT&T Bell Lab.（贝尔实验室）卓以和院士所带领的研究团队利用分子束磊晶技术（molecular beam epitaxy, MBE）成长全磊晶结构VCSEL元件，并采用离子布植法制作注入载子局限孔径成功在室温下达成电激发光连续波操作的成果。

面射型雷射制作技术也在1980年代中期开始成为众多公司与研究单位积极发展的研究课题，包括早期拥有最多VCSEL相关专利的全录公司在矽谷的Palo Alto研究中心Xerox PARC (Xerox Palo Alto Research Center, Inc.)、Gore Photonics•Sandia国家实验室、Bellcore（Telcordia）等。在投入多年的研发人力与资源之后，1996年起已有包括Honeywell、Mitel、Emcore Mode、Agilent和Cielo等公司推出多种商品化量产产品面市，并且在1999年全球VCSEL元件出货量已经突破1000万颗。然而相关的研究仍持续进行中，除了应用选择性氧化技术制造红外光光纤通讯用面射型雷射以外，可见光面射型雷射的相关研究也相当引人关注，特别是在1998年中村修二博士发表氮化镓材料所制作的高效能蓝光半导体雷射二极体后，如何制作涵盖完整可见光频谱范围的红、绿、蓝光面射型雷射也成为具有高度挑战性的研究主题。除了波长上的考量以外，如何提高调变频宽以及制作单模输出面射型雷射也是相当热门的研究题目。