GaN VCSEL：改进生产工艺

对腔体厚度的卓越控制宛如一位精准的狙击手，精确锁定了发射波长的目标。日本工程师们凭借一项革命性的工艺，成功打造出效率极高的VCSEL，其发射波长与目标波长如丝般顺滑地接近。

这一卓越的进步是名城大学与国家先进工业科学和技术研究所科研人员携手共铸的辉煌成果，它将有力推动氮化镓基垂直腔面发射激光器的商业化进程，并有望在自适应前照灯、视网膜扫描显示器以及护理点测试和可见光通信系统中大放异彩。

该团队所研发的激光器，其发射波长精准锁定在417.7nm，与目标值仅相差0.3nm的细微差距，且其壁塞效率峰值竟能突破20%的惊人界限。对于氮化镓垂直腔面发射激光器而言，这一效率堪称业界翘楚。展望未来，名城大学团队发言人竹内哲也向复合半导体透露，他尚未听闻有其他团队能够突破氮化镓基垂直腔面发射激光器20%的效率壁垒。

Takeuchi及其团队在氮化镓基VCSEL生产工艺的改进之路上历经数年磨砺，终于迎来了胜利的曙光。这类激光器拥有一对独特的电介质镜，由交替排列的AlInN和GaN层巧妙构建而成，其中顶部和底部镜片的创新设计极大地简化了制造流程，无需繁琐的基板去除步骤。然而，在40对AlInN和GaN层中生长出高质量的镜片并非易事，这如同在薄冰上行走，需小心翼翼、精益求精。

为了提升这种反射镜的品质，Takeuchi及其团队先是运用热氢工艺对AlInN表面进行精心清洁，随后又引入反射率光谱的原位测量技术，以实现对腔体厚度的精准掌控。在引入这一改进之前，生长速率的微小偏差可能导致腔共振波长产生显著偏移，从而威胁到器件性能的稳定性。然而，通过引入原位监测技术，团队成功将腔长控制在目标波长的0.5%以内，犹如一位精湛的乐手，将音乐的旋律调至最佳状态。

在此突破的基础上，该团队进一步利用垂直腔测试结构对ITO层和N2O5间隔层的厚度进行精细校准。这一特殊方法的选择，部分原因在于工程团队无法使用具备原位监测功能的溅射系统。Takeuchi解释道：“另一个原因是总厚度仅为腔体中GaN基层总厚度的十分之一，因此ITO/N2O5的厚度偏差对整体性能的影响相对有限。”通过对10对AlInN和GaN镜对的深入研究，团队发现当溅射ITO和N2O5时，在共振波长方面的控制精度可达±3%。由于该团队的VCSEL设计采用了4l腔结构，两个氧化物层的厚度仅为0.3l，因此由这对氧化物层引起的实际厚度偏差相对较小，约为GaN基3.7l腔的一半。

该团队将这种创新的腔体设计成功融入VCSEL产品组合中，这一产品组合包括多种尺寸的台面设计，直径从5毫米至20毫米不等，高度均为5纳米。这些台面通过BCl3干法蚀刻技术精确定义，确保横向电流和光学限制得到有效实现。晶圆上的测量结果显示，激光波长为417.7nm，与目标波长418nm的偏差仅为0.1%，展现了极高的精度和稳定性。直径为8μm的变体表现尤为出色，其峰值功率达到13.1mW，是团队之前最佳结果的三倍之多。在壁插效率方面，直径为5mm的设计展现出了令人瞩目的性能，效率峰值高达21.3%，在驱动电流为8.44mA的条件下，产生的输出功率接近10mW。

竹内认为，虽然封装技术可以在一定程度上提升器件性能，但提升幅度有限。他和他的同事们正致力于将壁插效率进一步提升至40%左右的水平，以推动氮化镓基垂直腔面发射激光器在更多领域实现广泛应用。

上图展示了该团队研发的VCSEL产品中的5纳米高台面设计，它如同精密的光学舞台，确保横向电流和光学限制得以完美实现，为未来的光学通信和显示技术开辟了崭新的道路。

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