蓝紫光VCSEL中的反射镜应用探索

在氮化镓发光二极体的发展过程中已受到许多的阻碍，其中包含缺少晶格匹配的基板、p型氮化镓镁的低活化率、电子电洞移动率差异大、与quantum-confined Stark effect（QCSE）现象等。而蓝光VCSEL除了必须考量到上述的困难之外，DBR的制作对于蓝光VCSEL而言更是一大挑战，一般而言以氮化镓为材料系统的DBR可以分成三种，包含AlN/GaN、AlGaN/AlGaN与AlInN/GaN三种组合。AlN/GaN DBR可以提供最大的折射率差异与禁止带宽度（stopband width），然而AIN与GaN之晶格常数差异高达2.4%，因此成长这种材料系统容易遇到应力的累积进而在晶片表面产生裂痕（crack），这样的裂痕通常会伴随着晶体缺陷的出现，并导致DBR反射率的降低。为了避免应力的累积效应，AlGaN/AlGaN材料系统成了第二种选择，主要是利用调整铝与镓的含量来减少晶格不匹配的程度，然而随之而来的问题是折射率差异的下降导致DBR对数的增加。第三种是使用AlInN/GaN材料系统，并且调整铟含量使AlInN可晶格匹配于GaN，然而成长高品质的AlInN薄膜并不容易，主要是因为高含量的铟容易形成相分离的现象以及薄膜中铟含量的不均匀分布，而InN与AlN的最适成长温度极具差异性更是造成磊晶成长困难的主因之一。

尽管成长氮化物DBR极具挑战性，许多研究群仍致力于高反射率氮化物DBR的成长与研究。Ng等人利用分子束磊晶技术成长25对的AlN/GaN DBR，波长在467 mm时最大反射率高达99%，禁止带宽度为45 nm，然而由于AlN造成的伸张应力，部分DBR表面具有网状的裂痕 。交通大学Huang等人利用金属有机化学气相沉积系统成长20对无裂痕的AlN/GaN DBR，为了克服应力累积的问题，在DBR结构中每5对AlN/GAN DBR插入一组包含5对的AlN/GaN超晶格结构（superlattice）以释放所累积的应力，整组超晶格结构的厚度对应到四分之一的光学波长，图7-1为此DBR结构侧向之穿透式电子显微镜图，其中颜色较浅的薄膜为AlN。量测结果显示，20对的AlN/GaN DBR在波长399nm时反射率可达97%以上。

而在AlGaN/GaN DBR材料系统中，Someya与Arakawa利用金属有机化学气相沉积系统成长表面无裂痕之35对Al0.34Ga0.66N/GaN DBR，其反射率可达96%。为了进一步控制成长氮化物DBR所累积的应力，Waldrip等人提出在AlGaN/GaN DBR中插入AlN层来转换成长DBR时的应力，其实验结果显示，成长60对的Al0.2Ga0.8N/GaN DBR并无发现表面裂痕，波长在380nm时其反射率可达99%。

至于晶格匹配的AlInN/GaN DBR结构首先由Carlin与Ilegems所提出，他们利用金属有机化学气相沉积系统成长20对的Al0.84In0.16N/GaN DBR，其反射率在波长515 nm时可达90%与35 nm的禁止带宽度。另外，此研究群更进一步成长紫外光波段晶格匹配的Al0.85In0.15N/Al0.2Ga0.8N DBR，在成长此DBR结构前，必须先成长一层几乎没有应力的Al0.2Ga0.8N层以避免之后磊晶时应力的形成，其实验结果显示，35对的DBR结构在波长340 nm时其反射率可达99%与大约20nm的禁止带宽度。

由于高反射率氮化物DBR成长的困难性，氮化镓VCSEL所对应的结构设计主要可分为三种类型，如图7-2所示。第一种类型为磊晶成长全结构的VCSEL，包含上下DBR与主动层材料，完整磊晶结构的优点是易于控制雷射共振腔的厚度，然而就氮化物材料系统而言，即使有部分研究群能够实现这样的磊晶结构，其应力的考量、良好的晶体品质与高反射DBR的制作过程却是十分困难的。第二种氮化物VCSEL结构是将上下DBR利用介电质氧化物所取代，这样的DBR可以提供相当高的反射率和共振腔Q值，亦可有效增加DBR的禁止带宽度，然而此种VCSEL结构其缺点在于难以准确地控制共振腔的厚度，并且需要雷射剥离（laser lift-off, LLO）技术和相对复杂的制程过程。除此之外，共振腔中氮化镓必须保持一定厚度以上以避免雷射剥离制程时量子井结构受到破坏，较厚的共振腔可能引起阈值电流的增加与微共振腔效应约降低。第三种氮化镓VCSEL结构同时使用了磊晶成长与介电质材料的DBR系统，因此可中和上述两种类型的优点与缺点。

此种混合式DBR VCSEL结构通常使用磊晶的方式成长下DBR与共振腔，如此可以有效控制共振腔的厚度，而上DBR再利用沉积介电质DBR的技术完成垂直共振腔的结构，同时也保留了进一步制作成电激发VCSEL的弹性。