面射型雷射初期的研发进展

早期面射型雷射由于半导体磊晶技术简在发展初期阶段，因此还无法直接成长反射率符合雷射操作需求的全磊晶导体分布布拉格反射器，以Iga教授团队所发表的最早电激发光VCSEL元件为例，所采用的共振腔反射镜面由金和二氧化矽材料所组成［21］，由于该结构反射率和电流局限能力较差，因此达到雷射增益所需的电流值较高，阈值电流大小为510mA。稍后该团队采用圆形埋入式异质接面结构（circularburied heterostructure，CBH），并采用TiO2/SiO2做为其中一侧的反射镜，由于埋入式结构可以改善载子注入和局限能力同时也提供光子局限的折射率波导效果，而且TiO2/SiO2折射率差异△n超过1，因此只要镀上少数几个周期就可以获得相当高的反射率，综合上述的结构与制程改善，所制作的VCSEL共振腔长度为7μm，在室温下脉冲操作间值电流大小降低至6mA，如果在液态氮冷却至77K环境下甚至可以进一步降低到4.5mA且连续波操作。［22］

两年后Iga教授团队改采用MOCVD磊晶成长技术，首次成功达成室温下连续波操作的纪录，该元件发光层厚度为2.5μm，整体共振腔长度为5.5μm，上方的分布布拉格反射器同样采用5对的TiO2/SiO2做为反射镜，下方则采用Au/SiO2/TiO2/SiO2，并借由MOCVD二次成长埋入式结构来做为注入载子局限方法，所制作的元件在室温下操作阈值电流值约为28~40mA，最大输出功率可达12mW。由于共振腔长度缩短，因此该元件可以发出单一纵模波长为894nm，旁模抑制比（side mode suppression ratio, SMSR）可以达到35dB，同时观察其近场与远场发光图案可以发现元件也操作在单一横模，光束为圆形对称直径约4μm，半高宽（full width at half maximum, FWHM）发散角为13°。［23］

由于采用介电质材料或金属制作面射型雷射反射镜制程相对复杂，特别是在制作电激发光面射型雷射时，因为一般介电质材料能隙宽度大通常是绝缘体，因此需要采用特殊结构设计来导通电流，如果能在面射型雷射磊晶同时就直接成长半导体DBR，除了厚度可以更精确控制以外，也有机会可以借由掺杂方式成长可以导电的DBR，简化电激发光面射型雷射的制程步骤，在1988年时AT&T Bel Lab 卓以和士所带领的研究团队就利用MBE系统成长全磊晶结构VCSBL元件，其结构主要包含22或23对的AlAS/Al0.1Ga0.9As n型掺杂（Si，5X1017cm-3）DBR以及5对Al0.7Ga0.3As/Al0.1Ga0.9As P型掺杂（Be，1019cm-3）DBR，每层DBR厚度均为发光波长的四分之一，同时掺杂浓度相当高因此导电率也较好，由于p型DBR对数较少因此会在元件制程中额外镀金属（银或金）形成混成式反射镜（hybrid metal-DBR reflector），除了可以有效提高反射率同时也可以做为电流注入的电极。同时该团队也首次采用氧离子布植做为电流局限方法，因此元件除了可以在室温下连续波操作，临界电流大小在脉冲操作时为26mA连续波操作时为40mA，且元件串联电阻仅为30Ω。［24］［25］

同属Bell Lab.的研究团队的J.L.Jewell等人也在1989年利用蚀刻方式制作微柱状结构面射型雷射，圆柱状结构直径从1微米、1.5微米、2微米、3微米、4微米到5微米，蚀刻深度5.5微米，方形柱状结构边长5微米、10微米、25微米、50微米、100微米与200微米也同样被制作在砷化镓基板上，最大元件密度可以高达每平方公分200万颗面射型雷射元件，在典型的7×8 mm样品上包含超过100万颗。该研究最大贡献除了展现高密度面射型雷射阵列的可行性以外，同时也采用厚度10nm的In0.2Ga0.8As单一量子井 （single quantum well, SQW）和每层厚度8nm的三重量子井（triple quantum wells，3QW）结构取代原本的双异质接面结构，进一步提升面射型雷射载子局限能力与量子效率，同时由于在砷化镓材料中添加铟可以使能隙大小降低，因此元件发光波长变为960～980nm［26］［27］，介于磷化铟系列材料的1.3微米长波长范围和砷化镓材料的850nm之间，而且砷化铟镓材料通常具有较高增益，因此往后经常被用于制作高功率雷射二极体做为其他固态雷射或光纤雷射激发光源用途。

由于Bell Lab.团队成功的制作全磊晶面射型雷射元件并且证实可以在室温下连续波操作，此后面射型雷射的发展大多采用磊晶成长方式沉积包含上下DBR和主动发光层，而发光波长也由最早的磷化铟系列材料1.3微米范围，缩短为采用砷化镓系列材料的850nm，在砷化镓材料中添加铝可以进一步提高其能隙大小缩短发光波长，但是铝含量如果超过0.45莫耳分率的话，该砷化铝镓材料能带结构会由直接能隙转变为间接能隙，反而抑制发光效率，因此要如何再进一步将面射型雷射发光波长推进到可见光波段就成为1990年代起各大研究机构与相关产业的研发重点。上述采用量子井结构制作面射型雷射的Bell Lab.团队成员Y.H. Lee和B. Tell等人在1991年时将发光层材料改为Al0.14G0.86As超晶格（superlattice） 结构，借由MBE成长的该超晶格结构由14对交错排列的GaAs层（厚度33.9A）和AlAs层（厚度5.7A）所组成，光激发光频谱波长为771nm，而且具有比直接磊晶成长Al0.14G0.86As晶体更高的光激发光强度［28］。所制作的元件利用离子布植法制作电流孔径分别为直径10微米和15微米两种尺寸的元件，在室温下均可连续波操作，其阈值电流大小分别为4.6mA和6.3mA，室温下操作未加散热情况下最大输出功率为1.1mW，这个发光波长也是后来光碟机和CD雷射读写头最早采用的波段。