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不仅是红外VCSEL,蓝绿光VCSEL也值得期待!
材料来源:微迷网           录入时间:2019/7/10 23:21:56

随着新型反射镜和激励电流注入方式的改进,一种优质氮化物激光器正处于商业化的风口浪尖。

激光器最有价值的特性是什么?有些人可能倾向于效率,这样今后就可以避免无法使用电池的困扰了;有些人可能更倾向于快速开启和关闭的功能,从而实现大量的数据传输;也有人重视圆形发射轮廓,简化光束聚焦;甚至还有人认为最重要的是能够与低成本、大批量生产相兼容。

能够满足以上所有要求甚至更多的激光器一定是VCSEL(垂直腔面发射激光器)了。据麦姆斯咨询介绍,VCSEL的概念于1977年由东京工业大学的伊贺健一(Kenichi Iga)首次提出,因其温度稳定性和阈值电流极低而闻名。市面上比较常见的同类产品如边缘发射激光器,主要用于CD和蓝光播放器、远程光纤网络以及焊接和切割设备,几乎无法满足上述所提及的特性要求,电子制造商们已注意到这一点。即使你没有听说过VCSEL,你身边也很有可能存着着它们:如iPhone X的三颗VCSEL芯片在人脸识别系统中起着关键作用。在3D人脸识别(Face ID)成为杀手级应用之前,数据中心将VCSEL部署在短距离数据通信,成为VCSEL的最大市场。当然,这两个领域都有助于推动VCSEL增长。Yole在《VCSEL市场与技术趋势-2019版》中提到,2018年VCSEL整体市场规模达到了7.38亿美元,到2024年将增至37.75亿美元。

图1:2018年和2024年VCSEL市场规模预测

(来源:《VCSEL市场与技术趋势-2019版》)

不过,如果VCSEL能够扩大光谱范围,需求量可能会更高。如今市面上商业化的产品也仅限于红光激光器和红外激光器。如果VCSEL发射蓝光和绿光,就能够用于高分辨率打印、高密度光学数据存储以及生化传感等领域。更重要的是,红光、绿光和蓝光VCSEL的结合使这些芯片用于全色显示和照明成为可能。尽管VCSEL的输出功率要求因应用而异,但一般为10mW,该功率足以用于增强现实(AR)设备、投影系统和显示器等。好消息是,经过十多年来行业研究和学术实验的努力,加上器件结构和制造工艺的创新,蓝光VCSEL现已达到这一基准。

蓝光VCSEL获取之路

鉴于红外和红光VCSEL的成功,开发蓝光和绿光同类产品,其“显而易见”的途径是在改变波长的同时,尽可能多地保留原有设计。不幸的是,这条“显而易见”的道路却埋伏着诸多阻碍。

图2:(a)在EEL中,发射的光束呈椭圆形,因此聚焦和操纵光束更具挑战性。

(b)相比之下,VCSEL从结构顶部发射的光束则呈圆形输出轮廓。

激光器的核心是谐振腔,激光在腔体内产生,通过受激辐射实现光的放大。该腔体由一对反射镜(即顶部反射镜和底部反射镜)隔开,提供光反馈,这是产生激光的先决条件。VCSEL中的谐振腔只有几微米厚,腔长极短,比传统的EEL的谐振腔厚度薄数百倍(图2a)。如此短的腔体使得VCSEL能够快速地开启和关闭,但缺点是需要高反射率的反射镜才能产生激光。

红外和红光VCSEL的工艺制程首先采用砷化镓(GaAs)晶圆,并在其上交替生长GaAs层和(取决于激光的发射波长)砷化铝(AlAs)层或合金铝砷化镓(AlGaAs)层。该叠层充当第一反射镜叠层。接下来,生长发光区域的谐振腔,再完成第二反射镜叠层(图2b)。为了精确定义光从VCSEL发出的位置,通过从外到内选择性氧化顶部反射镜下方的富铝层来形成圆孔。这个过程将一直持续到只剩下一个直径为几微米的未氧化孔。由于此孔是该层唯一能通过电流的部分,因此导致局部电流密度上升,足以支持发射激光。

必须要注意到VCSEL结构的细节是反射镜叠层中的每一层的厚度必须等于激光波长的四分之一。这一要求(以及当光从具有较高折射率材料的界面反射时发生的π相变)确保了不管反射镜的哪个部分提供反射,所有返回到腔体的光都具有相同的相位。相长干涉支持VCSEL的激光发射。在这方面,GaAs与AlGaAs或AlAs的配对相对来说是比较好的,因为材料的折射率截然不同。这意味着在反射镜内各种不同材料的界面上存在大量反射,每面反射镜大约有20对左右GaAs/AlGaAs或GaAs/AlAs异质薄层,足以反射99%的光。

然而,砷化物长久以来也一直被用于制造红光LED和EEL,却无法发射更短波长的光。因此,另一众人皆知的制造蓝光和绿光VCSEL的解决方案则是用氮化物代替,而氮化物是用于制造蓝光和绿光LED以及EEL材料体系中的一员。目前市场上所有开发蓝光和绿光VCSEL的团队都采用了此方法,但它也存在一些缺陷。特别是,氮化物的折射率相对比较接近。因此,获得足够数量的反射镜需要大约两倍的层数,从而导致制作整个器件结构的时间长得令人无法接受。

介电材料横空出世

认识到这一点,瑞士EPFL(洛桑联邦理工学院)创新氮化物VCSEL小组的负责人Nicolas Grandjean选择用一对折射率有显著差异的介电材料制成顶部反射镜取代传统顶部反射镜。Grandjean和他的同事用氮化硅和二氧化硅制作了这面顶部反射镜,从而将反射镜的层数减少到16对。

即使通过以上方法获得了明显改进,制造此类器件也绝非易事。其中一部分原因是同样生长底部氮化物反射镜,蓝光和绿光VCSEL比砷化物制成的器件更具挑战性。AlGaAs和GaAs晶体结构中的原子间隔距离几乎一致,所以当一种材料在另一种材料上进行生长时,其晶体结构不会产生应变聚集。这一点很重要,如果不加以确认,应变会产生损害性能的缺陷。

图3:更高功率:致力提高氮化物VCSEL的输出功率激发了多种设计灵感。

上图显示了迄今为止输出功率最高的设计。该设计由名城大学(Meijo University)和日本斯坦雷电气株式会社(Stanley Electric)的研究人员合作完成,其中包含了由氮化铝铟(AlInN)层和氮化镓(GaN)层交替制成的底部反射镜(学名为分布式布拉格反射镜,或DBR反射镜);由两种介电材料层,即氧化铌(Nb2O5)和二氧化硅(SiO2)交替制成的顶部反射镜;以及在GaN衬底上生长的氮化镓铟(GaInN)的有源层。

为了防止氮化物层中应变的积累,Grandjean及其同事将GaN与AlInN合金配对,从而产生晶格匹配Al0.83In0.17N结构的GaN。虽然用该材料制作均匀分布的薄膜并不容易,但Grandjean的团队找到了在制造VCSEL之前生产优质AlInN的方法。他们的设计中有一个通过氧化AlInN形成的孔,并采用向器件注入电流的新方法。在传统的VCSEL中,电流流经反射镜。但由于电介质反射镜不导电,所以在腔体的两侧增加了电极。

稳步前行的蓝光VCSEL

Grandjean团队的工作持续进行了十多年,在2007年实现了重大突破,当时他们向众人展示了用氩离子激光器泵浦的蓝光VCSEL发射的激光。然而,当他们对VCSEL进行电驱动时(一种实用器件所需的操作模式),他们只能从中提取非相干光源。如需进一步发展则需对制造工艺进行改进,但这项工作所需的资金却无法获得批准。部分原因是决策者认为,日本研究人员在20世纪90年代开创了氮化物发光器件,不久的将来他们必定会在此领域有重大突破。

总体来说,他们是正确的:关于VCSEL开发的大部分后续进展的确来自日本电子公司的科学家们。然而,其他团队也做出了宝贵贡献。其中包括来自台湾国立交通大学(National Chiao Tung University)的团队,该团队在2008年4月发布了首款电驱动氮化物VCSEL。为了将激光从他们制作的器件中引出,研究人员通过液氮进行冷却。然而,这种方法对于商业光源来说并不实用,但在2008年下半年,日本公司Nichia的研究人员生产出了首个能够在室温下工作的蓝光VCSEL,取得了进一步的进展。值得一提的是,Nichia公司也是诺贝尔奖获得者中村修二(Shuji Nakamura)度过大部分职业生涯的企业,他因发明了蓝光LED获得了2014年诺贝尔物理学奖。

Nichia的突破为VCSEL的设计开辟了新天地,完全省去了氮化物反射镜。但是,这是否会使VCSEL更容易制造还值得商榷。谐振腔生长结束后,必须将其从为其生长提供基础的衬底上移除,然后再仔细抛光至非常精确的厚度,该厚度由激光波长决定。尽管如此,Nichia仍然坚持这一设计,2009年,其工程师宣布,他们已经通过将衬底从蓝宝石转换为GaN,激光输出从0.14mW增加到0.62mW的。这一变化提高了材料质量,将缺陷削减了三个数量级。

不幸的是,Nichia团队发现,仅运行10分钟后,阈值电流就开始出现漂移,推测可能是因为抛光过程中在GaN晶圆中诱发了机械应力。该公司报告称,其蓝光VCSEL的输出功率在2011年略有提高,但自2012年以来,该公司未就此发表任何说明,这表明其工艺存在重大问题。

突破输出功率里程碑极限

当然,生产首个输出功率达到或高于1?mW的VCSEL花费了数年时间,同时还需要更多的创新。索尼在2016年宣称这一具有里程碑意义的产品即1.1mW蓝光VCSEL,其制造工艺首先是形成多个电介质反射镜岛,然后在其间及上方生长GaN材料,最后沉积谐振腔。做完以上步骤后,再完成第二面电介质反射镜。

之后不久,索尼的工程师们公布了一项新的设计,突破了10mW壁垒。它的主要特点是具有更大的腔体以及曲面镜,通过蚀刻衬底背面并在该表面上沉积电介质叠层而形成。2018年11月,团队发言人Tatsushi Hamaguchi宣布,他们的蓝光VCSEL获得了12mW的输出功率。几个月后,在美国旧金山举行的西部光电展览会(Photonics West conference)上,Hamaguchi透露了其输出功率的进一步提高,目前可达到15.4mW。

索尼关于高功率蓝光VCSEL的设计,其体系结构与EPFL早期的研究工作有许多共同之处,因此两者之间存在竞争。早在2017年,日本名城大学和名古屋大学的研究人员使用电介质顶部反射镜和含有AlInN的底部反射镜就构建了输出功率为4.3mW的VCSEL。他们在法国斯特拉斯堡(Strasbourg, France)举办的氮化物半导体国际会议(International Workshop on Nitride Semiconductors)上报告了该项目的进展,EPFL的Grandjean对之更是赞不绝口。“秘密在于外延生长条件。”Grandjean说道,“它们能在高温下更快地生长,因此材料质量和生长时间都能够获得改进。”

从那以后,竹内哲也(Tetsuya Takeuchi)和他来自名城大学的研究团队与斯坦雷电气株式会社的工程师们展开了合作,斯坦雷电气株式会社是一家日本电气公司,为本田和日产等汽车制造商提供前照灯。他们的目标是进一步提高输出功率,这样斯坦雷就可以用VCSEL代替前照灯中的LED。2018年初,有合作伙伴透露,通过调整内部损耗,可达到6mW的输出功率,同年秋季,有科学家报告称,他们通过延长腔和消除热阻,输出功率已超过了15mW。目前市场上的最新数字是在2019年举办的Photonics West展览会上宣布的22.2mW,团队成员将输出功率的增加归因于优化了顶部反射镜的反射率。

绿光VCSEL之路困难重重

迄今为止,事实证明通过复制这些方法制造绿光VCSEL仍是困难的。在蓝光和绿光LED以及EEL中,光是在非常薄的InGaN层中产生的,称为量子阱。绿光发射要求阱中的铟元素比例更高,但这会增加应变,产生缺陷并对性能造成损害。更重要的是,这种材料体系的内置电场随着铟含量的增加而增强,阻碍了光的产生。

为了解决这些问题,厦门大学和中国科学院苏州分院的研究人员建立了合作伙伴关系,转向量子点研究。通过对应变和内部电场强度的降低,这一举措的优势在于能够制造出跨越整个绿色光谱范围的VCSEL。到目前为止,绿光VCSEL的输出功率仍落后于“蓝光兄弟”。然而,随着后者目前正处于商业化的风口浪尖,绿光GaN VCSEL的投入资金必定会增长,从而刺激这一令人兴奋的光源跨越更宽的光谱范围,并为更多的应用提供服务。


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