全半导体布拉格反射镜简介

文章摘要：对于近红外波段的VCSEL，使用的基本都是全半导体DBR反射镜，如表所示。基于AlGaAs材料的DBR应用的最为广泛，在波段650～690 nm，近红外的850～980 nm段，长波1.33～1.55 ptm段都有应用。在650～690 nm段，采用的是A1As／A1xGa-xAs基DBR，为了避免光吸收，需x＞0．4。对于780 nm的VCSEL，铝的组分要减少为x＝0.25；同理，对应于850 nm的x＝0.15，980 nm的VCSEL选用的是GaAs／A1As或GaAs／A1。q6Ga0.04As基DBR。理想的VCSEL需要拥有最大的反射率和良好的散热性。与绝缘材料的DBR相比，全半

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　　对于近红外波段的VCSEL，使用的基本都是全半导体DBR反射镜，如表所示。基于AlGaAs材料的DBR应用的最为广泛，在波段650～690 nm，近红外的850～980 nm段，长波1.33～1.55 ptm段都有应用。在650～690 nm段，采用的是A1As／A1xGa-xAs基DBR，为了避免光吸收，需x＞0．4。对于780 nm的VCSEL，铝的组分要减少为x＝0.25；同理，对应于850 nm的x＝0.15，980 nm的VCSEL选用的是GaAs／A1As或GaAs／A1。q6Ga0.04As基DBR。

　　理想的VCSEL需要拥有最大的反射率和良好的散热性。与绝缘材料的DBR相比，全半导体DBR的折射率差要小许多，因此要达到99％的反射率，需要更多的DBR周期结构，并且还会在反射过程的相位变换中导致较高的色散。理想的全半导体DBR在垂直方向应该有着非常小的串联电阻，顶部发射VCSEL的环形电极还应有非常高的横向电导率。但是因为构成DBR的两种材料的价带不连续，造成了P型DBR的高串联电阻，发热十分严重。

　　在过去的几年中，人们在研究如何降低VCSEL的工作电流方面有了实质性的进展，其基本原理都是通过改变DBR的异质界面的掺杂分布来改善价带的不连续性。早期的尝试是采用一种超晶格结构使异质界面按线性渐变分布：在A1As／GaAs的异质界面处进行突变型重掺杂，然后在界面朝向有源区一侧进行突变掺杂，增加带隙宽度。在已经报道的各种异质界面结构中，以台阶式和调制掺杂式最为典型。另一个研究方向是采用线性梯度和两个δ掺杂层来实现能带的弯曲，提高隧穿几率，同时降低载流子重掺杂引起的吸收。最近正在研发的一种结构是将线性渐变的P型DBR和台阶型结构的N型DBR复合在一起。还有一种降低串联电阻的方法就是利用抛物线型渐变和突变掺杂方法，使界面的能带在不连续处趋于平缓。与台阶型相比，双抛物线型异质界面结构（渐变层由两个反向的抛物线渐变结构串联起来）明显降低了价带上的尖峰，两种结构的价带如所示。

　　图 台阶型及抛物线型DBR价带示意图

　　然而，用抛物线渐变方法来实现不同带隙材料之间价带的平滑过渡，原有的DBR层必须考虑到这段渐变结构所带来的影响，这时候己经不再是完整的1／4波长厚度，反射率明显降低。采用单抛物线渐变结构，只是使带隙宽度较大的材料的价带平滑过渡，这种结构也叫做单抛物线型结构，用来区别前面所提到的双抛物线型结构。这种结构的主要优点在于减小了渐变区域的厚度，提高了反射率。

　　另外一种选择是用高反射率的绝缘材料DBR代替半导体P型DBR。VCSEL里有一个量子阱有源区，两边是缓变折射率的包层。下DBR选用的是N型GaAs／A1As结构，通过外延生长实现。上DBR选用的是Si3N4／SiO2（氮化／氧化）绝缘材料，通过溅射－沉积工艺实现。这与下面所提到的同质氧化方法有些相似。