改进垂直腔面发射激光器 (VCSEL) 设计

曲面镜和较长的谐振腔能减轻绿光 VCSEL 中的过热现象。

视网膜扫描显示：采用红、绿和蓝光 VCSEL 制成的高效率、低功耗、全彩色光源。

SONY 的工程师制备了一款能在室温下产生连续发射绿光 VCSEL。通过在其上叠加红光和蓝光 VCSEL ，研究人员声称用这种激光器制成了有史以来第一个全彩色光源。

据该研究小组称，VCSEL 具有高方向性和非常低的功耗，有望成为可见光高效传输的新标杆，可应用于视网膜扫描显示等领域。

其实，Sony 并不是绿光 VCSEL 的首家生产商。2016 年，来自中国厦门大学的一支研究小组报告了可发射蓝、绿和黄光的量子点 VCSEL。这些器件具有非常低的阈值电流（< 1 kA cm-2）。然而，Sony 的这支研究小组表示，由于量子点品质的不一致性和谐振腔长度控制的不稳定性，因此对于该设计而言，波长发射稳定性是一个挑战。另一个阻碍波束形成的问题是丝状激光发射，它被认为源于量子点的空间不均匀性。

为了解决这些问题，Sony 的工程师开发了一款绿光 VCSEL，该 VCSEL 具有量子阱结构，并采用了一种可以解决另一个问题的设计，这个问题就是底部反射镜中的热阻导致芯片过热的现象。

有了 Sony 的解决方案后，使用较长的谐振腔可以减小热阻。增加谐振腔的长度有可能会造成衍射损失的增加而影响激射，但是，通过使用曲面镜可以避免出现这种情况。

有源发光区中的高电场是影响绿光 VCSEL 性能的另一个障碍。它将电子与空穴分开，因而导致较高的阈值电流。为了解决该问题，Sony 的工程师使用了一种半极性衬底，用于其有源区的外延生长。

Sony 的 VCSEL 制备的起点是将 {2021} GaN 衬底放入 MOCVD 反应腔，并外延 4 周期量子阱结构、1 个 p 型掺杂 GaN 层、和 1 个 p 型接触层。在这个 130 nm 厚的异质结构上，研究小组添加了一个 30 nm 厚的铟锡氧化物层，然后是专为 515 nm 波长上具有峰值反射率 Ta2O5 和 SiO2 交替的 p 侧分布式布拉格反射镜 (DBR)。接着进行电极的蚀刻和沉积，以生成一个光圈和一个电流注入区。

然后，工程师将晶圆的厚度减薄至大约 20 μm，之后使用光刻制备 26 μm 直径的树脂盘。将样品加热至 200 °C 使树脂盘熔化成液滴，然后反应离子蚀刻将其形状转移到氮化镓上，形成透镜状表面。再增添 14 层交替的 Ta2O5 和 SiO2形成了曲面镜，在晶圆划片并封装之前完成以上制备过程。

该绿光 VCSEL 的测量结果显示：阈值电流为 1.8 mA，而电光转换效率 (wall plug efficiency) 低于 0.1%。

当电流从 5 mA 增至 6 mA 时，发射峰从 515 nm 变为 518 nm。这 3 nm 的变化与 18.6 μm 的腔长、 GaN 折射率的预期值和它随波长的变化是一致的。

发射的远场图显示一个单峰，可以用高斯曲线拟合。这种发射对应的发射光斑尺寸为2.4 μm 至 2.6 μm。

T. Hamaguchi et al. Appl. Phys. Express 13 041002(2020)