光学和光子学

更好的蓝色和绿色激光

字号+ 作者:admin 来源:小丑鱼-分享科普知识 2019-12-04 14:23

激光最有价值的特性是什么?有些人会主张提高效率,以使激光可以耗尽电池。其他人可能更喜欢可以高速打开和关闭的设备,因此它可以传输大量数据。也有一些人把圆形发射轮廓放在了首位,以简化光束的聚焦,或者认为最重要的是与低成本,大批量制造的兼容性。 VCSEL 垂直腔表面发射激光器,可以打

  激光最有价值的特性是什么?有些人会主张提高效率,以使激光可以耗尽电池。其他人可能更喜欢可以高速打开和关闭的设备,因此它可以传输大量数据。也有一些人把圆形发射轮廓放在了首位,以简化光束的聚焦,或者认为最重要的是与低成本,大批量制造的兼容性。

  VCSEL –垂直腔表面发射激光器,可以打勾所有这些盒子,甚至更多。此类半导体激光器最早由东京工业大学的Kenicha Iga于1977年提出,该类激光器还以其温度稳定性以及开启它所需的极低电流而闻名。它的更常见的边缘发射表亲(用于CD和Blu-Ray播放器,长距离光纤网络以及焊接和切割工具)几乎没有这些属性,而这些属性现在开始引起电子制造商的注意。即使您从未听说过VCSEL,也很有可能拥有其中一些:iPhone X的三枚VCSEL芯片在其面部识别系统中起着关键作用。在iPhone成为杀手级应用之前,数据中心提供了最大的市场,部署在短距离通信中的VCSEL。这两个部门都在帮助推动销售。根据市场分析师YoleDéveloppement的数据,2017年全球销售收入达到近7亿美元,到2023年将激增至35亿美元。

更好的蓝色和绿色激光

  但是,如果VCSEL可以扩展其光谱范围,则销售额可能会更高。当今的商业产品仅限于红色和红外线。如果VCSEL可以在光谱的蓝色和绿色区域发射,则它们可以用于高分辨率打印,高密度光学数据存储以及化学和生物传感。此外,红色,绿色和蓝色VCSEL的组合将使这些芯片可用于全彩色显示器和照明。尽管VCSEL的输出功率要求因应用而异,但有用的估算数字是10 mW,足以用于增强现实设备,投影系统和显示器。好消息是,在工业和学术实验室经过十多年的艰苦努力之后,蓝色VCSEL现已达到了该基准,

  忧郁

  有了红外和红色VCSEL的成功,开发蓝色和绿色表亲的“明显”道路就是在改变波长的同时保留尽可能多的设计。不幸的是,这条“明显”的道路原来有很多颠簸。

  每个激光器的心脏都位于其腔中,在腔中产生并放大光以产生受激发射。该腔被一对镜子固定,可提供光学反馈-发射激光的先决条件。在VCSEL中,腔仅几微米厚,比边缘发射器中的典型腔薄数百倍(图1a)。这样的短腔使设备可以非常快速地打开和关闭,但缺点是反射镜需要高度反射才能发生激光发射。

  制作红外和红色VCSEL的过程开始于取出一盘砷化镓晶体(GaAs),并在其顶部生长交替的GaAs层,以及(取决于激光的发射波长)砷化铝(AlAs)或砷化铝。合金砷化铝镓(AlGaAs)。该层堆栈充当第一面镜子。然后添加包含发光区域的腔,然后添加组成第二个反射镜的层(图1b)。为了精确地确定从VCSEL发出光的位置,通过从外部选择性地氧化顶镜下方的富铝层来构造圆形孔。该过程继续进行,直到仅剩下直径为几微米的未氧化孔为止。由于该孔是该层中唯一可以通过电流的部分,

  VCSEL构造的一个关键细节是,反射镜堆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的材料的界面反射时发生的π相变化)确保所有返回腔体的光都具有相同的相位,而不管反射镜的哪个部分提供了反射。 。产生相长干涉,支持VCSEL的发射。在这方面,GaAs与AlGaAs或AlAs配对非常好,因为材料的折射率差异很大。这意味着在反射镜内的界面处会发生实质性的反射,每个反射镜有20个左右的层对足以反射99%的光。

  不幸的是,砷化物也被用来制造无数的红色LED和边缘发射激光器,它们不能发射波长短得多的光。制作蓝色和绿色VCSEL的显而易见的解决方案是用氮化物代替氮化物,氮化物是用于制造蓝色和绿色LED和边缘发射激光器的材料系统。所有开发蓝色和绿色VCSEL的团队都采用了这种方法,但是它具有某些缺点。特别地,氮化物的折射率相对相似。因此,获得足够反射的反射镜大约需要两倍的层,这导致用于生长整个装置结构的时间过长。

  介电的喜悦

  认识到这一点后,率先开发氮化物VCSEL的瑞士EPFL小组负责人Nicolas Grandjean选择用由一对具有明显折射率对比的介电材料制成的顶镜代替顶镜。通过使用氮化硅和二氧化硅的组合制造此顶部反射镜,Grandjean和他的同事将该反射镜中的层对数量减少到仅16个。

  即使进行了这种修改,制造该装置也绝非易事。部分原因是,为蓝色和绿色VCSEL生长底部氮化物层反射镜的任务比基于砷化物的器件中的等效任务更具挑战性。AlGaAs和GaAs晶体结构中的原子几乎间隔相同的距离,因此当一种材料在另一种材料上生长时,结构中不会出现应变累积。这很重要,因为如果不加控制,应变可能会导致性能下降的缺陷。

  为了阻止在氮化物层中形成应变,Grandjean及其同事将GaN与氮化铝铟合金(AlInN)配对,后者与GaN晶格匹配为Al0.83In0.17N形式。用这种材料制作均匀的膜并不容易,但是Grandjean的团队在制造VCSEL之前确定了生产高质量AlInN的条件。他们的设计具有一个通过氧化AlInN形成的孔,还采用了一种将电流注入器件的新颖方法。在传统的VCSEL中,电流流过反射镜。但是介电镜不导电,因此它们在空腔的两侧增加了电接触。

  卑微的开始

  Grandjean团队的工作是在十多年前完成的,而最高点发生在2007年,当时他们展示了在用氩离子激光器泵浦的蓝色VCSEL中发射激光的过程。但是,当他们的VCSEL用电驱动时(一种实际设备所需的工作模式),他们只能从中提取非相干光。进一步的进展将需要对制造工艺进行进一步的改进,但是由于这些工作使决策者认为必要的突破将通过日本在1990年代研究人员率先开发出发光氮化物器件的工作来实现,因此无法获得这些工作的资金。 。

  从广义上讲,它们是正确的:VCSEL开发中的许多后续进展确实来自日本电子公司的科学家。但是,其他团体也做出了宝贵的贡献。其中包括台湾国立交通大学的一个团队,该团队于2008年4月报道了第一台电驱动氮化物VCSEL。为了哄骗设备中的激光,研究人员用液氮将其冷却。对于商业光源而言,这是不切实际的,但是当年晚些时候,日本Nichia公司的研究人员生产了第一款能够在室温下工作的蓝色VCSEL,取得了进一步的进展。足够恰当的是,Nichia是中村修二(Shuji Nakamura)的结晶,他于2014年因开发蓝色LED而获得了诺贝尔物理学奖,并且还因发明蓝色激光二极管而获得了荣誉,

  Nichia的设计开创了新局面,完全放弃了氮化物镜。但是,这是否使VCSEL的制造更容易争论。空腔生长后,必须将其从为其生长奠定基础的基板上移除,然后小心地抛光至由激光波长确定的非常精确的厚度。尽管如此,Nichia仍然坚持设计,2009年工程师宣布他们通过将衬底从蓝宝石转换为GaN将激光器的输出从0.14 mW增加到0.62 mW。这种变化改善了材料质量,将缺陷减少了三个数量级。

  不幸的是,Nichia团队还发现,仅运行10分钟后,打开其设备所需的最小电流就开始漂移-可能是由于在抛光过程中GaN晶片中产生了机械应力。该公司在2011年报告说其蓝色VCSEL的输出功率有了适度的提高,但是自2012年以来就没有发表过有关该主题的任何论文,这表明其工艺存在重大问题。

  毫瓦里程碑

  生产第一台输出功率为1 mW或更高的VCSEL花费了几年时间,并且进行了更多的创新。索尼在2016年宣布了这一里程碑,采用了1.1 mW的蓝色VCSEL,其生产工艺首先是形成介电镜岛,然后在它们之间,上方生长GaN材料,最后沉积空腔。此后,添加第二个介电镜。

  最近,索尼的工程师推出了一种新设计,该设计打破了10兆瓦的障碍。它具有更大的空腔和曲面镜,该曲面通过蚀刻基板的背面并在该表面上沉积介电叠层而形成。2018年11月,团队发言人滨口达志(Tatsushi Hamaguchi)宣布,他们的发蓝色光的VCSEL实现了12 mW的输出功率。几个月后,在美国旧金山举行的Photonics West会议上,滨口透露进一步提高到15.4 mW。

  索尼的高功率设计以蓝光VCSEL的形式出现竞争,该VCSEL基于与EPFL的早期工作共享一些功能的体系结构。2017年,日本名城大学和名古屋大学的研究人员使用介电顶镜和包含AlInN的底镜构建了输出功率为4.3 mW的VCSEL。他们在法国斯特拉斯堡的国际氮化物半导体研讨会上报告了他们的进展,而EPFL的Grandjean称这是令人印象深刻的结果。他说:“秘密在于生长条件。” “它们可以在高温下更快地生长,因此可以改善材料的质量和生长时间。”

  从那以后,美酒大学的竹内哲也和他的团队就与日本斯坦利电气公司的工程师合作,斯坦利电气是一家日本电子公司,向本田和日产等汽车制造商提供大灯。他们的目标是进一步提高输出功率,以便斯坦利可以用VCSEL替换其前照灯中的LED。在2018年初,该合作伙伴关系表明通过减少内部损耗达到了6 mW,同年秋天,科学家报告说,通过延长空腔并压扁热阻,它们已经超过15 mW。在2019年Photonics West大会上宣布的公共领域最新数字为22.2 mW,该团队成员将功率增加归因于优化了顶部镜的反射率。

  变绿并不容易

  迄今为止,复制绿色VCSEL的这些进步已被证明是困难的。在蓝色和绿色LED和边缘发射激光器中,光在非常薄的InGaN层(称为量子阱)中产生。绿色发射需要在井中增加铟,但这会增加应变,产生缺陷并损害性能。复杂的是,此材料系统中的内置电场强度随铟含量的增加而增加,从而阻碍了光产生过程。

  为了回避这些问题,厦门大学的研究人员与苏州的中国科学院之间的合作伙伴关系已转向量子点。此举的优点包括降低应变和内部电场强度,从而使VCSEL的制造能够覆盖整个绿色光谱范围。到目前为止,输出功率落后于其蓝色兄弟姐妹。但是,随着后者现在处于商业化的风口浪尖,绿色GaN VCSEL的资金肯定会增加,这将刺激这种令人印象深刻的光源跨越更宽的光谱范围并服务于更多应用。

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