王玉坤，鄭重明，龍浩，梅洋，張保平

（廈門大學電子科學與技術(shù)學院（國家示范性微電子學院），廈門361005）

0 引言

半導體激光器有多種結(jié)構(gòu)，例如分布反饋式激光器（Distributed Feedback Laser Diode，DFB-LD）、邊發(fā)射激光器（Edge-emitting Laser，EEL）和垂直腔面發(fā)射激光器（Vertical-cavity Surface-emitting Laser，VCSEL）等。其中，VCSEL 可以依托其垂直腔的特點制備成二維陣列，進行大尺寸二維集成，并且擁有圓形遠場光斑、單縱模輸出、低功耗、圓片測試等優(yōu)點。

VCSEL 在半導體激光器歷史中發(fā)展雖較晚，但其研究已超過40年。1977年，東京工業(yè)大學的伊賀健一等第一次提出了VCSEL 的構(gòu)想［1-2］。這種結(jié)構(gòu)是一種上下法布里-珀羅腔（F-P），兩片反射鏡夾著中間的有源層。典型的制作方法是在藍寶石襯底上外延制備下分布布拉格反射鏡（Distributed Bragg Reflector，DBR），接著制備相應量子阱等有源層結(jié)構(gòu)，之后再制備上DBR。電泵VCSEL 器件則還要額外制備上電極和底電極等結(jié)構(gòu)。最初的VCSEL 主要基于砷磷化物（如：GaInAsP）材料體系制備。通過氧化有源區(qū)邊緣的砷化物來形成電流和光學限制層，從而實現(xiàn)對腔內(nèi)光場和電流的局域化。

與傳統(tǒng)的邊發(fā)射激光器相比，VCSEL 有如下優(yōu)點：1）圓形光斑，易與光纖耦合；2）同一基底上能夠同時制作多個器件，從而實現(xiàn)二維集成，降低成本，提升效率［3-4］；3）諧振腔長度為微米量級，與波長接近，縱模間距較大，器件容易實現(xiàn)單縱模工作，動態(tài)單模性較好，擁有較大的弛豫震蕩頻率［3］；4）制備過程中無需解理外延片形成諧振腔，腔長可通過外延精確控制，激射波長重復性高。

1979年，在提出VCSEL 概念兩年后，伊賀健一便在77 K 溫度下實現(xiàn)了第一支電注入GaInAsP/InP VCSEL 的脈沖激射［5］；1987年其又在77 K 實現(xiàn)了GaAs/AlGaAs VCSEL 的脈沖激射［6］；1989年實現(xiàn)了室溫下GaAs/AlGaAs VCSEL 的連續(xù)激射［7］，閾值電流小于10 mA。相較于紅外及紅光GaAs 基VCSEL 的迅速發(fā)展，具有更優(yōu)越特性的GaN 可見光VCSEL 仍處于實驗室研究階段，發(fā)展緩慢［8］。這主要源于高質(zhì)量GaN薄膜生長及器件工藝的困難［9］。1989年，AMANO H 等在Mg 摻雜GaN 中引入電子束輻射，首次成功實現(xiàn)了穩(wěn)定的p-GaN 薄膜［10］。1991年，NAKAMURA S 等采用熱退火方法解決了GaN 中p 摻雜的問題，并闡明其機理［11］。而第一支GaN VCSEL 是在1996年由REDWING J M 等［12］報道的具有全外延結(jié)構(gòu)的光泵浦GaN VCSEL，閾值泵浦能量高達2.0 MW/cm2。

紅光以及紅外波段VCSEL 主要使用GaAs 材料體系，其中650 nm、850 nm、980 nm 波段主要應用在短距離光通信中，1.3 μm 和1.55 μm 波段主要應用在長距離光纖通信中。此外，GaAs VCSEL 在傳感、醫(yī)療、紅外照明、激光雷達、原子鐘等方面也有著廣泛的應用。與GaAs VCSEL 相比，GaN VCSEL 的發(fā)光波長集中于紫外與可見光波段。可以應用于半導體激光照明、可見光通信、激光投影顯示、高密度光存儲、生物醫(yī)療、微型原子鐘及傳感器等方面［13］。

由于VCSEL 出光方向與外延片表面垂直，集成為高密度二維陣列時，能夠提供比單管邊發(fā)射激光器更大的發(fā)光功率，因此，可見光波段的GaN VCSEL 適用于需要高準直性光源的應用場合，如：劇院、博物館、溫室、汽車車燈、飛機頭燈等情景照明。在可見光通信方面，黃綠光GaN VCSEL 可應用于短距離塑料光纖通信［14］和對海探測以及水下光通信領(lǐng)域［15］。在顯示方面，GaN VCSEL 可以完整覆蓋紅綠藍三基色，同時其光束又有較好的方向性及準直性，可應用于激光電視、家庭影院、汽車或飛機擋風玻璃投影等領(lǐng)域。另外，GaN VCSEL 的小體積以及低功耗在移動穿戴設備中的微投影儀和視網(wǎng)膜投影技術(shù)等方面也將發(fā)揮重要的作用。

GaN 基紫外LED 已經(jīng)在紫外固化、皮膚治療、凈化水源、殺菌消毒、疫情防治、生化檢測、紫外通信等方面被廣泛應用［16］。VCSEL 相比于LED 具有體積更小、相干性好、光束集中等優(yōu)點，紫外VCSEL 也將有更大的應用前景。

UVA 波段（320～400 nm）一般應用于紫外固化［16］。例如：顯示屏、電子醫(yī)療、儀表等行業(yè)的UV 膠黏劑固化；建材、家具、家電、汽車等行業(yè)的UV 涂料固化；印刷、包裝等行業(yè)的UV 油墨固化；微電子行業(yè)的元件裝配UV 固化等。代表波長為395 nm 和365 nm。目前常見的紫外固化光源為汞燈和紫外LED，若采用UV VCSEL 代替UV LED 和汞燈，則具有體積更小、功率密度高、單色性好，可設置最合適波長等優(yōu)勢。

UVB 波段（280～320 nm）主要應用在醫(yī)學（294～310 nm）和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)（310 nm）兩個方面［16］。在醫(yī)學方面，可以用于皮膚病治療（310 nm）、癌癥治療（310 nm）、健康保健、免疫治療（310 nm）、維生素D3促進生成（294～304 nm）、生化試劑檢測、熒光檢測以及蛋白質(zhì)、DNA 和細菌識別等［17］。其中皮膚病治療的主要原理是利用310 nm 紫外線對皮膚的黑斑效應，加速皮膚新陳代謝，提高皮膚細胞生長力，從而有效治療多種光照性皮膚病，如：白癜風。在健康保健領(lǐng)域，UVB 光的照射可以調(diào)節(jié)高級神經(jīng)功能、改善睡眠、降低血壓等；同時，UVB 光能促進生成維生素D3［17］，波長為293 nm 的UVB 光使人體內(nèi)產(chǎn)生維生素D3的效率是陽光的2.4 倍。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面，主要應用在植物照明（310 nm）、水消毒和食品運輸?shù)?。使用窄?10 nm UVB 光源照射水果和蔬菜從而產(chǎn)生某種植物化學物質(zhì)，這種物質(zhì)可以大大降低癌癥和心血管疾病的風險［17］。

目前，大多UVB 光都采用紫外LED 開展上述研究應用，而VCSEL 具有激光器的多項特點，例如：單色性好、線寬窄，可以進一步改善治療效果，并有利于研究不同波長的治療影響。研究表明窄帶寬的UVB（310 nm）光源相比寬帶寬的UVB（280～320 nm）光源，對皮膚病的治療效果更好，因為后者對正常皮膚的紅斑和曬傷風險更高［17］，而前者對鄰近部位的不良副作用也更低［17］。使用UVB VCSEL 作為光源，則將更易控制治療范圍，更容易選擇最合適的治療波長，減少對正常部位的損傷。

UVC 波段（200～280 nm）主要用于殺菌消毒、生物防治。原理是利用UVC 波長的紫外線破壞微生物機體細胞中的DNA 或者RNA 分子結(jié)構(gòu)，造成其生長性細胞或再生性細胞死亡，達到殺菌消毒的效果。根據(jù)這一特性，UVC 光源被廣泛應用到空氣、水、物體表面殺菌消毒。在2019 新冠疫情中，越來越多的UVC LED 被應用于醫(yī)療防護中。而UVC VCSEL 可以憑借其功率密度高、發(fā)光更集中的特點，發(fā)揮其更顯著的殺菌消毒效果。

1 Ⅲ族氮化物VCSEL 研究進展

GaN VCSEL 的相關(guān)研究起步較晚，GaAs 基VCSEL 誕生的十多年后，才出現(xiàn)GaN VCSEL 的身影。1989年，日本的科學家AMANO H 等生長出高質(zhì)量的GaN 薄膜并解決了p 型摻雜和量子阱有源區(qū)的問題［10］，之后有關(guān)GaN VCSEL 的研究開始逐步進行。GaN VCSEL 的研究最早開始于1995年，東京工業(yè)大學的HONDA T 等首先對GaN VCSEL 的閾值特性進行了理論計算研究［18］。第一個光泵GaN VCSEL 在1996年由ATMI 公司的REDWING J M 等［12］實現(xiàn)。之后的1996 到2007年，東京大學［19-20］、布朗大學［21］、日本NTT 公司［22］、廈門大學［23］、臺灣交通大學［24］、瑞士洛桑理工大學［25］等機構(gòu)的研究小組也相繼報道了具有不同DBR 結(jié)構(gòu)的GaN VCSEL 的光泵激射。具有里程碑意義的事件發(fā)生在2008年，王興宗研究組［26］制備出了世界上第一支電注入藍光GaN VCSEL，這是第一次成功實現(xiàn)電注入GaN VCSEL，隨后越來越多的研究人員投入到電注入GaN VCSEL 的研發(fā)之中。

1.1 可見光VCSEL

GaN VCSEL 是Ⅲ族氮化物半導體激光器中的代表之一，InxGa1-xN 是一種典型的Ⅲ-N 族半導體材料系統(tǒng)，其禁帶寬度在0.7～3.4 eV 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，因此，理論上InGaN 材料可以覆蓋全部可見光波段。目前受到應用驅(qū)動和高In 組分InGaN 外延的瓶頸，GaN VCSEL 主要集中在藍綠光波段。而發(fā)展GaN 藍光和綠光VCSEL 的挑戰(zhàn)在外延生長與結(jié)構(gòu)設計方面［27］。

在早期研究中，藍紫光波段GaN VCSEL 報告較多。1999年，俄羅斯科學院的KRESTNIKOV I L 等實現(xiàn)了第一支藍光GaN VCSEL［28］。同年，東京大學的SOMEYA T 等報道了第一支藍光混合雙DBR 結(jié)構(gòu)的GaN VCSEL［19］，這意味著有實用價值的藍色VCSEL 在GaN 材料系統(tǒng)中實現(xiàn)。之后，藍紫光波段GaN VCSEL 的研究進展飛速，研究人員也通過使用雙介質(zhì)DBR 替代混合DBR 結(jié)構(gòu)來獲得更高品質(zhì)因子（Q值）的諧振腔，提高器件質(zhì)量。

近期，在藍紫光波段GaN VCSEL 的研究中比較有代表性的機構(gòu)包括：布朗大學、臺灣交通大學、日亞公司、廈門大學、名城大學、斯坦雷電氣公司等研究單位，比如：臺灣交通大學的王興宗教授研究組于2008年制成了第一支電注入藍光GaN VCSEL［26］，開創(chuàng)了電注入GaN VCSEL 的先河。日亞公司在2008年實現(xiàn)了最大輸出功率可達700 μW 的藍光電泵浦GaN VCSEL［29］。廈門大學的張保平研究室［30］于2014年制造了Q值高達3 570、閾值電流低至0.93 mA 的高質(zhì)量VCSEL。2015年，索尼公司使GaN VCSEL 輸出功率首次達到了毫瓦量級［31］。隨后，日本名城大學通過合理優(yōu)化生長參數(shù)實現(xiàn)了高質(zhì)量AlInN/GaN DBR 的生長，以此為基礎(chǔ)在2018年報道了連續(xù)輸出功率6 mW，閾值電流密度9 kA/cm2（對應閾值電流4.5 mA），斜率效率0.87 W/A，發(fā)散角5.1°的藍光VCSEL［32］；次年報道了腔長為4λ，連續(xù)輸出功率1.8 mW，微分電阻90 Ω 的藍光VCSEL，并且探究發(fā)現(xiàn)GaAs 體系的短腔結(jié)構(gòu)并不適合GaN 體系VCSEL［33］。2019年，斯坦雷電氣公司基于埋入SiO2橫向光限制技術(shù)，采用花狀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了441.7 nm 環(huán)形陣列鎖相GaN VCSEL［34］，具有高達30%的差分量子效率、15.8 mW 的高輸出功率和2.8°的窄發(fā)散角度。同年斯坦雷電氣公司［35］和索尼公司［36］又分別在增大輸出功率和減小閾值電流兩個方面取得了突破。2020年，斯坦雷電氣公司提出了藍色GaN VCSEL 中的一種新型納米圓柱波導［37］，在光輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率方面提供了橫向光學約束和優(yōu)異的輸出性能。2020年，加利福尼亞大學的KEARNS J A 等將埋入式隧道結(jié)（Buried Tunnel Junction，BTJ）應用在半極性GaN VCSEL 中［38］，在減小損耗和提高注入效率方面獲得很大改善。臺灣交通大學的CHANG T C 等第一次將TiO2高反射率差光柵（High-index-contrast Grating，HCG）引入電驅(qū)動GaN VCSEL，并成功激射［39］。2020年，廈門大學張保平等通過引入橫向光學限制［40］，使所需載流子濃度降低，降低了有源區(qū)結(jié)溫和光譜展寬，實現(xiàn)了GaN VCSEL 較低的閾值電流和較高的輸出功率［41］。同年，耶魯大學ELAFANDY R T 等報道了一種使用納米多孔GaN 與GaN 交替的底部導電DBR 的藍光VCSEL［42］，其激射波長為434 nm，閾值電流密度為42 kA/cm2，最大光輸出功率為0.17 mW。

在綠光GaN VCSEL 方面，由于量子限制Stark 效應和高密度缺陷和位錯，綠光發(fā)射InGaN/GaN 量子阱的量子效率較低［43］，被稱為“綠色間隙”［44］。2008年，CAI L E 等［23］通過優(yōu)化InGaN/GaN 量子阱的生長，首次實現(xiàn)了光泵浦下藍綠光GaN VCSEL 的激射，室溫下激射波長為498.8 nm，線寬為0.15 nm。

近年來，廈門大學張保平研究室在綠光VCSEL 方面取得較多進展［43］。2016年，WENG G 等首次實現(xiàn)了電注入綠光GaN VCSEL 的連續(xù)激射［45］，該GaN VCSEL 器件采用InGaN 量子點作為增益介質(zhì)，室溫連續(xù)激射波長為560.4 nm，并且具有0.61 mA 的低電流閾值。2017年，MEI Y 等［46］使用InGaN 量子點作為有源區(qū)，通過調(diào)節(jié)腔長將該器件的波長從491.8 nm（藍綠色）拓展到565.7 nm（黃綠色），覆蓋了大部分的“綠色間隙”。同年，XU R B 等［47］通過使用量子阱有源區(qū)中的量子點（QD-in-QW），實現(xiàn)了電注入下同時發(fā)射藍光和綠光的GaN VCSEL，該器件首先在約2 μA 的閾值電流處激射，發(fā)射波長為545 nm 的綠光，隨著電流的增加，在430 nm 處出現(xiàn)另一個激射峰，閾值電流約為5 mA。2018年，XU R B 等［48］通過將寬譜藍光InGaN/GaN 量子阱與微腔相結(jié)合，實現(xiàn)了基于量子阱中局域態(tài)的綠光VCSEL，由于諧振腔效應，與腔模共振的局域態(tài)發(fā)光模式的復合效率大幅提升，使得大注入電流下綠光（493 nm）得到顯著提升，實現(xiàn)激射。以上研究為綠光VCSEL 的后續(xù)發(fā)展提供了重要的思路。

2020年，索尼公司的研究人員報道了基于多層介質(zhì)膜的綠光VCSEL［49］，在半極性GaN 襯底上設計了腔長為20 μm，底部DBR 為多層彎曲介質(zhì)膜（Ta2O5/SiO2）的結(jié)構(gòu)。其頂部DBR 與p-GaN 層之間插入一層30 nm 的ITO 層，閾值電流為1.8 mA（對應閾值電流密度為14.4 kA/cm2），激射波長為515.2 nm。

1.2 紫外VCSEL

目前，用于制作紫外VCS EL 的材料主要是AlGaN 合金體系。Ⅲ族氮化物材料AlN、GaN、InN 及其合金半導體都具有直接帶隙、耐高溫、抗輻射、抗腐蝕、擊穿電壓高、熱導率高等優(yōu)點。通過改變其中的Al 組分，可以調(diào)節(jié)AlxGa1-xN 的禁帶寬度，使得在3.4 eV 到6.0 eV 之間連續(xù)變化［50］，非常適合應用于近紫外（320～400 nm）、中紫外（280～320 nm）及深紫外（200～280 nm）的半導體激光器（Laser Diode，LD）、發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）和光電探測器（Photodetector，PD）等。

紫外波段的半導體激光器中，傳統(tǒng)的邊發(fā)射激光器發(fā)展較快，較早實現(xiàn)了光泵和電泵激射［51-55］。相比于邊發(fā)射激光器，VCSEL 在紫外波段的進展則相對緩慢。1995年，東京工業(yè)大學的HONDA T 等首先在紫外波段對AlGaN VCSEL 的閾值特性進行了理論計算研究［18］。1996年，REDWING J M 等實現(xiàn)了光泵激射的紫外VCSEL［12］。近30年來，紫光、藍光、綠光波段的VCSEL 都實現(xiàn)了光泵浦和電泵浦激射，但是至今沒有紫外電泵VCSEL 的報道。

1.2.1 UVA (320～400 nm)VCSEL

1996年，美國先進技術(shù)材料公司（Advanced Technology Materials，Inc.）的REDWING J M 等成功實現(xiàn)了紫外363 nm 光泵VCSEL 的激射［12］，其結(jié)構(gòu)和不同激發(fā)功率下的光譜如圖1。上、下DBR 均由30 個周期的Al0.40Ga0.60N（39.7 nm）/Al0.12Ga0.88N（37.2 nm）構(gòu)成，有源層為10 μm 的GaN。激射波長為363.5 nm，激射閾值為2 MW/cm2。

2000年，布朗大學（Brown University）的ZHOU H L 等制備出了383 nm 光泵激射的VCSEL［56］，閾值功率為30 mW，線寬小于0.1 nm，其結(jié)構(gòu)如圖2。有源區(qū)為20 對In0.03Ga0.97N（4 nm）/GaN（6 nm）量子阱，上DBR 為HfO2/SiO2，下DBR 為60 對GaN/Al0.25Ga0.75N。這種混合DBR 結(jié)構(gòu)相比于全氮化物DBR 結(jié)構(gòu)，上表面的介質(zhì)膜DBR 制備工藝簡單、反射率高且高反帶的帶寬更寬。

圖2 383 nm VCSEL 的結(jié)構(gòu)、發(fā)光光譜與輸出功率曲線［56］Fig.2 Structure，emission spectrum and output power of the 383 nm VCSEL［56］

2010年，南洋理工大學的CHEN R 等采用納米球光刻（Nanosphere Lithography，NSL）制備了平均直徑約為500 nm 的納米柱［57］，實現(xiàn)了底部為AlxGa1-xN/AlyGa1-yN DBR、頂部為SiO2/HfO2DBR 組成的納米柱陣列結(jié)構(gòu)的VCSEL。該結(jié)構(gòu)可以提供優(yōu)異的光學限制，降低激射閾值，如圖3所示。該器件在343.7 nm 處激射，激射閾值為0.52 MW/cm2。

圖3 343.7 nm VCSEL 的場發(fā)射掃描電子顯微鏡圖片和PL 光譜［57］Fig.3 FESEM image and PL spectra of the 343.7 nm VCSEL［57］

2015年，喬治亞理工學院LIU Y S 等制備了In0.03Ga0.97N/Al0.15Ga0.85N 量子阱的紫外VCSEL［58］，其結(jié)構(gòu)如圖4（a），激射波長367.5 nm，線寬為1.4 nm，閾值為1 MW/cm2，是當時報道的最低閾值。該器件采用了混合DBR 結(jié)構(gòu)，氮化物作為下DBR，HfO2/SiO2作為上DBR。2016年，該課題組又優(yōu)化了類似結(jié)構(gòu)的紫外VCSEL［59］，其結(jié)構(gòu)如圖4（c）。該VCSEL 激射波長為374.9 nm，閾值為1.64 MW/cm2。兩支VCSEL 的相關(guān)光譜如圖4（b）、（d）。

圖4 367.5 nm 和374.9 nm VCSEL 的結(jié)構(gòu)和發(fā)光光譜［58-59］Fig.4 Structure and emission spectra for the 367.5 nm and the 374.9 nm VCSELs，respectively［58-59］

2018年，臺灣交通大學的CHANG T C 等采用TiO2高對比度光柵（High-Contrast Grating，HCG）作為頂部反射鏡，制備了紫外光泵VCSEL［60］。其激射波長為369.1 nm，具有0.69 MW/cm2的閾值，輸出特性如圖5。HCG 具有厚度薄、高反帶寬、偏振可調(diào)以及諧振波長靈活可調(diào)等優(yōu)點，已經(jīng)在長波長GaAs 系的VCSEL 中得到了廣泛研究，但其制造工藝特別復雜，尚未進入實際應用。

圖5 HCG VCSEL 的輸出特性［60］Fig.5 Output characteristics of the HCG VCSEL［60］

2019年，喬治亞理工大學的PARK Y J 等引入空氣隙DBR 來增大DBR 兩種材料折射率差［61］，實現(xiàn)了具有高反射率的DBR，進而利用該結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了閾值功率密度低至270 kW/cm2的375 nm 激射，其結(jié)構(gòu)如圖6。

圖6 375 nm VCSEL 的結(jié)構(gòu)，發(fā)光光譜和輸出曲線［61］Fig.6 Structure，emission spectrum and output characteristic of the 375 nm VCSEL［61］

2021年，廈門大學張保平研究組在UVA 波段實現(xiàn)了376～409 nm 的光泵激射［62］，光譜如圖7所示。因為器件具有雙介質(zhì)DBR 和利用襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)制作的楔形腔，從而實現(xiàn)了漸變腔長。在InGaN/GaN 多量子阱有源區(qū)采用周期性增益結(jié)構(gòu)，增強了腔模場與有源層之間的耦合。腔內(nèi)光場由腔長調(diào)制，因此，在單個VCSEL芯片的不同點上實現(xiàn)了不同波長的可調(diào)諧激光。不同波長下的閾值泵浦功率密度為383～466 kW/cm2，其中紫外部分的閾值泵浦功率密度最低。

圖7 漸變腔長UVA VCSEL 的發(fā)光光譜和輸出曲線［62］Fig.7 Emission spectrum and output characteristic of the graded cavity length VCSEL［62］

1.2.2 UVB（280～320 nm）VCSEL

2020年，HJORT F等報道了310 nm 的光泵VCSEL的激射［63］。器件外延層、表面形貌和整體結(jié)構(gòu)如圖8（a）。外延層利用MOCVD 生長，再通過電化學腐蝕的方法去除襯底，在300°C、50 MPa壓力下，通過真空熱壓鍵合將臺面轉(zhuǎn)移到Ti/Au覆蓋的硅基底上。有源層為AlGaN 量子阱，上、下DBR 均為HfO2/SiO2DBR。頂部DBR 的高反帶中心為320 nm，峰值反射率超過99%。底部反射鏡為介質(zhì)膜DBR 和金屬Al 鏡組合。利用Al 反射鏡，DBR在激射波長段的反射率得到了提高，激光閾值10 MW/cm2左右，線寬為3 nm，光譜如圖8（b）、（c）所示。

圖8 310 nm VCSEL 的結(jié)構(gòu)、表面形貌、發(fā)光光譜和輸出曲線［63］Fig.8 Structure，surface topography，emission spectrum and output characteristic of the 310 nm VCSEL［63］

1.2.3 UVC（200～280 nm）VCSEL

例7：The shot generally just stuns them, but it does change their attitude. (心理)

當波長進一步縮短到UVC 波段時，VCSEL 激射比近紫外和中紫外更加困難，主要是因為DBR 及有源區(qū)的光學損耗更高、制備工藝更難。近期，廈門大學張保平研究組在深紫外VCSEL 方面取得了一系列重大進展。2018年，ZHENG Z 等詳細分析了AlGaN 平板微腔中的光損耗，并成功制作了基于AlGaN 量子點有源層和上、下DBR 均為HfO2/SiO2的微腔［64］。通過計算，ZHENG Z 等認為光學損耗的主要來源是界面散射損耗，可以通過減小激光剝離后的表面粗糙度以及調(diào)整粗糙界面與腔內(nèi)光場駐波的波節(jié)重合來降低界面散射損耗。2021年，ZHENG Z 等成功實現(xiàn)了雙介質(zhì)膜DBR 結(jié)構(gòu)的UVC VCSEL 的光泵激射［65］，器件結(jié)構(gòu)如圖9（a）。該器件主要利用了激光剝離技術(shù)剝離藍寶石襯底，優(yōu)化拋光工藝和DBR 設計，從而制備了全介質(zhì)膜DBR 結(jié)構(gòu)的VCSEL。這是迄今世界上第一支UVC 波段VCSEL 激射，也是目前為止波長最短的紫外VCSEL。該有源區(qū)為5 對Al0.4Ga0.6N（2 nm）/Al0.5Ga0.5N（6 nm）多量子阱層，上DBR 為7.5 對HfO2/SiO2，下DBR 為15.5 對HfO2/SiO2，激射波長為275.9 nm，線寬為0.78 nm，閾值功率密度為1.21 MW/cm2。器件發(fā)光特性如圖9（b）、（c）所示。

圖9 275.9 nm VCSEL 的結(jié)構(gòu)，發(fā)光光譜與輸出曲線［65］Fig.9 Structure，emission spectrum and output characteristic of the 275.9 nm VCSEL［65］

2 紫外VCSEL 的難點及解決方法

相較于其他波段的VCSEL，紫外波段的VCSEL 發(fā)展受到很多挑戰(zhàn)，尤其是深紫外波段（＜280 nm）VCSEL。實現(xiàn)紫外波段VCSEL 面臨著包括高質(zhì)量晶體的獲得、DBR 的制備、襯底剝離以及薄膜表面粗糙度的控制等難題。對于電泵紫外VCSEL，還需要關(guān)注電流擴展和載流子注入效率等問題。

2.1 光泵VCSEL

制備光泵紫外VCSEL 的關(guān)鍵問題包括［66］：1）需要較高Al 組分的AlGaN 外延片，但Al 組分越高，外延溫度過高及Al 元素的表面遷移困難均導致高晶體質(zhì)量的AlGaN 外延片不容易制備；2）高質(zhì)量的紫外DBR制備困難，氮化物DBR 存在晶格失配、熱膨脹系數(shù)失配、面內(nèi)組分不均勻和低折射率差等不足，因此難以得到具有高反射率的DBR；3）介質(zhì)膜DBR 需要剝離襯底的工藝，襯底轉(zhuǎn)移也存在諸多困難，同時介質(zhì)膜DBR在深紫外段也存在部分吸收的問題。

2.1.1 高晶體質(zhì)量AlGaN 外延片的生長

AlGaN 材料，特別是高Al 組分AlGaN 材料的外延生長仍存在很多難點，其原因有以下幾點：1）由于缺乏同質(zhì)襯底，通常采用異質(zhì)襯底外延AlGaN 材料，如：藍寶石、SiC 和Si 襯底等。這些襯底材料與AlGaN 材料在晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)上存在較大差異，因此，AlGaN 薄膜中存在較大的內(nèi)部張應力，容易導致薄膜內(nèi)部高密度的位錯、薄膜表面粗糙、龜裂、載流子遷移率低等問題，嚴重降低了AlGaN 的晶體質(zhì)量和光電學性能；2）外延中，襯底上臺階和扭結(jié)位置具有較低的能量，有利于反應物附著和二維生長。但相比于Ga 原子，Al 原子具有粘滯系數(shù)大和表面遷移率低的特點，難以遷移到臺階或者扭結(jié)處。因此AlGaN 容易形成三維島狀生長模式，從而形成馬賽克分布的亞晶粒，這些亞晶粒隨著外延生長融合，產(chǎn)生了張應力。該張應力與亞晶粒尺寸成反比，并且隨著薄膜厚度的增大而增大。當薄膜厚度到達臨界厚度時，所積累的張應力能量通過位錯或龜裂方式進行釋放［67］，而位錯在AlGaN 晶體中成為非輻射復合中心，極大地惡化器件性能。圖10 描述了AlGaN 多量子阱內(nèi)量子效率（Internal Quantum Efficiency，IQE）與量子阱內(nèi)位錯密度（Dislocation Density，DD）的關(guān)系［68］，可以看出，隨著DD 的增大，IQE 逐漸降低；3）在MOCVD 生長AlGaN材料中，Al 金屬有機源比其他金屬有機源化學性質(zhì)更活波，TMAl 和NH3在高溫下存在嚴重的預反應，產(chǎn)生微小顆粒落在襯底上，會導致缺陷產(chǎn)生，同時寄生反應使源的利用效率下降。因此，為了生長高質(zhì)量高Al 組分AlGaN 材料，必須克服異質(zhì)外延晶格失配大、位錯密度高、Al 原子表面遷移率較低、寄生反應強烈等問題，這需要從生長工藝上予以改進。

圖10 AlGaN 多量子阱內(nèi)量子效率（IQE）隨量子阱中位錯密度（DD）的變化［68］Fig.10 Variation of internal quantum efficiency of AlGaN multiple quantum wells with dislocation density in quantum wells［68］

盡管AlGaN 薄膜生長過程中存在困難，但由于其突出的應用前景，高質(zhì)量的AlGaN 材料的生長始終是研究熱點，也取得了許多成果。為了減少藍寶石襯底上AlGaN 層的應力，得到高質(zhì)量AlGaN 外延層，研究者們采用各種插入層技術(shù)或AlN 模板來調(diào)節(jié)應力，抑止裂紋產(chǎn)生。KAMIYAMA S 和AMANO H 等［69-70］分別提出了低溫AlN 和AlGaN 插入層技術(shù)，獲得了無裂紋的AlGaN 外延層。但是這種方法由于低溫插入層的質(zhì)量較低，會導致后續(xù)的AlGaN 外延層質(zhì)量的劣化，而多層低溫緩沖層的插入需要多個升降溫過程，導致更多的熱失配應力積聚，也使得這種方法的效果打了折扣。BYKHOVSKI A D 等［71］和ZHANG J P 等［72-73］分別采用GaN/AlN 以及GaN/AlGaN 超晶格結(jié)構(gòu)來緩解張應力。AlN 材料的晶格常數(shù)小于AlGaN 的晶格常數(shù)，當在藍寶石上采用AlN 模板生長AlGaN 材料時，AlGaN 會受到壓應力而不易龜裂，并且AlN 的帶隙寬度大，對高于200 nm 波長的紫外光完全透明。同時，AlN 材料具有優(yōu)良的熱導性能和熱穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明，AlN 基板可以改善Ⅲ族氮化物的晶體質(zhì)量，降低位錯密度。所以，高質(zhì)量的AlN 模板可以提高AlGaN 質(zhì)量，從而提高深紫外器件的性能。然而，由于c 面藍寶石和AlN 之間的面內(nèi)晶格失配高達13%，以及TMAl 和NH3之間存在強烈的氣相預反應，AlN 模板生長也面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。

此外，日本濱松光子學株式會社采用了一種側(cè)向外延（Epitaxial Lateral Overgrowth，ELO）技術(shù)，在AlGaN 模板上制備SiO2條狀掩膜，并進一步側(cè)向外延AlGaN 材料，成功獲得了Al 組分高達30%的高質(zhì)量無裂紋AlGaN 外延層。但值得注意的是，這種方法對于高Al 組分的AlGaN 材料有一定的局限性，Al 組分不宜過高，上限約為30%。而且ELO 工序復雜，需要光刻、干法刻蝕以及后續(xù)的退火等過程［74］。VENNEGUES P 等報道稱［75］，GaN 模板上生長的髙溫（High Temperature，HT）AlN 插入層通過形成V型槽結(jié)構(gòu)能夠有效地釋放應力。因此采用MOCVD 方法在高質(zhì)量GaN 模板層上，以HT-AlN 為插入層，生長了高Al 組分AlxGa1-xN（0.33≤x≤0.79）外延薄膜。研究發(fā)現(xiàn)，HT-AlN 插入層中的V 型槽結(jié)構(gòu)對AlGaN 外延層的生長能夠起到亞微米橫向外延（ELO）作用，而且AlN 插入層能夠有效地緩解AlGaN 薄膜中的應力，從而獲得高質(zhì)量無裂紋的AlGaN 薄膜。與ELO 生長方法相比，該方法具有成本低、生長工序簡單等優(yōu)點。

除了以上研究和探索來提高AlGaN 薄膜生長質(zhì)量，目前還存在其他的改良方法：1）Al 組分漸變的AlGaN 緩沖層；2）圖形化襯底等手段改善AlGaN 薄膜的晶體質(zhì)量；3）表面活性劑TMIn 輔助生長，增強高Al組分AlGaN 表面吸附單體的遷移率來降低缺陷密度；4）兩步生長法［76］或三步生長法［77］等。以上四種方法均可以在一定程度上提高AlGaN 晶體質(zhì)量。

2.1.2 DBR 的制備

混合DBR 結(jié)構(gòu)，即下DBR 為外延生長的氮化物DBR，上DBR 為介質(zhì)膜（如：氧化物）DBR，這種結(jié)構(gòu)仍然要面臨著與全氮化物DBR 相同的外延困難。全介質(zhì)膜DBR 結(jié)構(gòu)，即上、下DBR 均由介質(zhì)膜（通常為氧化物）材料構(gòu)成。常用的DBR 材料有SiO2、HfO2、Ti3O5、Ta2O5、TiO2、ZrO2等。選用其中合適的材料，如：SiO2/TiO2、SiO2/Ta2O5、HfO2/SiO2、SiO2/ZrO2等能以較小的對數(shù)實現(xiàn)99%以上的反射率。由于介質(zhì)膜材料種類多，折射率差較大，且制備工藝技術(shù)成熟，易于獲得寬帶寬、高反射率的DBR。但在紫外尤其是深紫外波段，許多氧化物同樣存在著強烈的光學吸收。因為SiO2和HfO2在紫外光段具有較低的消光系數(shù)，可以有效地避免對紫外光的吸收，通常采用SiO2作為DBR 中的低折射率材料，而高折射率材料常用HfO2。各種氧化物在300 nm 處的折射率與消光系數(shù)如表1所示。

表1 各種透明氧化物在300 nm 左右的折射率與消光系數(shù)Table 1 Refractive indes and extinction coefficients for various transparent oxides around 300 nm

2.1.3 襯底的轉(zhuǎn)移

全介質(zhì)膜DBR 結(jié)構(gòu)雖然有著寬帶寬、高反射率等優(yōu)點，但是需要去除外延生長使用的原始襯底并將氮化物薄膜轉(zhuǎn)移到其他支撐襯底上以沉積上DBR。這種制備方式增加了器件制備工藝的復雜性。2008年日亞化學報道了第一支基于全介質(zhì)膜DBR 結(jié)構(gòu)的GaN VCSEL 的室溫連續(xù)激射［50］。器件外延使用藍寶石為襯底，之后將樣品鍵合到了Si 支撐基底上，并使用激光剝離的方法將藍寶石襯底去除。

AlGaN 外延片常用的襯底為藍寶石襯底，是一種硬度大、禁帶寬度大的材料。通常剝離藍寶石襯底的方法有三種：激光剝離（Laser Lifted Off，LLO）［81-83］、選擇帶隙的光電化學腐蝕（Bandgap Selected Photoelectrochemistry Etching，BGS-PECE）［84-89］和氫氛圍的各向異性熱腐蝕（Hydrogen-environment Anisotropic Thermal Etching，HEATE）［90-93］。BGS-PECE 對犧牲層的極性、導電類型和帶隙的寬度都有要求，Ga 極性和p 型導電材料都會使得犧牲層難以被腐蝕，并且犧牲層的帶隙必須是整個外延結(jié)構(gòu)中最小的。如果橫向腐蝕的速率較低，則無法實現(xiàn)襯底與外延層的大面積剝離，這些因素都限制了該技術(shù)的應用。HEATE 方法的橫向分解速率也較低，同樣不利于外延片的大面積剝離。

相比之下，LLO 適用的范圍更廣，其原理是采用激光加熱分解氮化物，只需要材料對該波段的光有吸收。通過激光加熱與藍寶石接觸的外延層，當光密度達到閾值，材料就會因為吸光而產(chǎn)生熱使自身分解，達到襯底剝離的效果。但是，相比于GaN 材料，AlGaN 材料的禁帶寬度大，吸收系數(shù)小，分解溫度高，使得激光剝離AlGaN 外延層更具挑戰(zhàn)。通常，剝離AlGaN 外延層需要考慮以下幾個問題：

1）若AlGaN 外延層生長在GaN 模板層上，則會導致整個AlGaN 外延層都受到了較大的張應力，而在激光剝離的過程，產(chǎn)生的瞬時高溫使得外延層進一步膨脹，從而裂開。在較大的剝離能量下，會導致大部分AlGaN 外延層脫落。所以，為了較為完整的激光剝離效果，合適的剝離條件至關(guān)重要。

2）若AlGaN 外延層使用了AlN 模板層，則一般通過分解生長于AlN 層上的AlGaN 層來實現(xiàn)襯底的剝離，這需要所用的激光具有較高的能量密度，并且AlGaN 層對該激光有較高的吸收。ZHENG Z 等［65］制備的UVC VCSEL 就是利用了這種方式。

3）由于激光剝離后外延片表面的粗糙度會極大地影響腔內(nèi)光學損耗，從而影響腔的品質(zhì)因子。粗糙度越大，光學散射損耗越大。同時，波長越短，散射損耗也越大。所以，在深紫外波段，散射損耗是一項很重要的損耗，激光剝離后需要對AlGaN 表面進行平滑，例如化學機械拋光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）。

2.2 電泵VCSEL

由于電泵VCSEL 和光泵VCSEL 的載流子注入方式不同，所以電泵VCSEL 在結(jié)構(gòu)上要比光泵更復雜，困難更多：1）需要電流擴展結(jié)構(gòu)以便向有源區(qū)提供足夠且穩(wěn)定的高濃度載流子，達到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，形成持續(xù)的輸出光。特定波段電泵VCSEL 的電流擴展層，需要同時滿足電流輸運和光子透過性。2）盡可能高的載流子注入效率。對于短波長尤其是深紫外波段VCSEL，壘層與電子阻擋層的帶階更小，電子的泄露更為嚴重，所以要考慮合理設置電子阻擋層（EBL）。

2.2.1 電流擴展層

在GaAs 基VCSEL 中，高電導率的GaAs/AlGaAs DBR 較容易實現(xiàn)。因此，電極一般都沉積在DBR 表面，電流穿過DBR 均勻注入諧振腔，不產(chǎn)生擁堵，如圖11（a）所示［94］。但在GaN VCSEL 中生長高電導率的氮化物DBR 十分困難，尤其是p 側(cè)DBR。因此GaN VCSEL 如果想要進行電注入就必須制備腔內(nèi)接觸電極，使電流繞過DBR 注入諧振腔，如圖11（b）所示［26］。除了工藝較為復雜外，腔內(nèi)接觸電極結(jié)構(gòu)也會造成電流擁堵，增大器件串聯(lián)電阻以及增大諧振腔內(nèi)吸收。另外由于p-GaN 的低電導率，必須在電極金屬與p-GaN 之間制備電流擴展層，通常做法是沉積氧化銦錫（ITO）層或者生長隧道結(jié)以實現(xiàn)歐姆接觸與電流擴展。

圖11 VCSEL 的腔內(nèi)接觸［94，26］Fig.11 Intracavity contact of VCSEL［94，26］

ITO 是寬帶隙的薄膜材料，其帶隙為3.5～4.3 eV。由于ITO 同時具有良好的導電性和透光性，所以在可見光VCSEL 中已經(jīng)得到較多的應用。但ITO 對紫外波段具有非常高的吸收系數(shù)，不適合應用于紫外VCSEL。目前有希望使用隧道結(jié)（Tunnel-junction，TJ）或者新型二維導電材料如石墨烯等作為電流擴展層以減小光學損耗，提升器件性能。最近一些AlGaN 基隧道結(jié)的應用［95-99］證明了其應用于電注入UV VCSEL的重大潛力。隧道結(jié)，即利用電子的隧穿效應，一般是重摻雜的p 區(qū)（費米能級進入價帶）的價帶電子隧穿到相鄰的重摻雜的n 區(qū)（費米能級進入導帶）的導帶，從而實現(xiàn)導電功能。

2015年，瑞士洛桑理工學院的MALINVERNI M［98］等將埋入式的隧道結(jié)（Buried Tunnel Junction，BTJ）結(jié)構(gòu)引入GaN微型LED 中。結(jié)構(gòu)如圖12，采用分子束外延生長GaN 隧道結(jié)，在凈受主濃度接近1020cm-3的情況下實現(xiàn)了具有超薄耗盡寬度的p-n 結(jié)，從而實現(xiàn)有效的帶間隧穿。此隧道結(jié)在器件中呈現(xiàn)n-p-n 結(jié)構(gòu)，10 V 反向偏壓下表現(xiàn)出小于5×10-5A cm-2的低泄漏電流密度。而在正向偏壓3.3 V 和4.8 V 時，電流密度分別為20 A·cm-2和2 000 A·cm-2，在+5 V 測量下整個器件的比串聯(lián)電阻為3.7×10-4Ω·cm2。通過隧道結(jié)結(jié)構(gòu)，使得整個LED 實現(xiàn)了良好的電流限制與均勻的電注入，同時也證明了隧道結(jié)結(jié)構(gòu)能在Ⅲ族氮化物中實現(xiàn)，以此替代傳統(tǒng)的透明導電氧化（Transparent Conducting Oxide，TCO）層。

圖12 埋入式隧道結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖［98］Fig.12 Schematic diagram of the buried tunnel junction［98］

2016年，加利福尼亞大學的LEONARD J T 研究了405 nm VCSEL 中的ITO 膜層和隧道結(jié)兩種結(jié)構(gòu)在光學損耗、散熱、輸出功率三方面的區(qū)別［100］。根據(jù)圖13 中多層ITO 薄膜的折射率和吸收系數(shù)分布［99，101-102］，ITO 薄膜在紫光波段吸收系數(shù)高，在405 nm VCSEL 中ITO 造成的損耗占其總內(nèi)部損耗的比例約為74%（～30 cm-1）。由于n 型氮化物在短波長（尤其是紫外）的吸收系數(shù)小于ITO，所以不僅無需限制TJ 厚度，而且還可以通過增大TJ 厚度改善電流擴散，實現(xiàn)了極低的損耗。在LEONARD J T 的另一項關(guān)于TJ 的研究中［99］，通過使用TJ 能夠?qū)CSEL 的模擬閾值模態(tài)增益降低到約14 cm-1，腔內(nèi)接觸實現(xiàn)＜5 cm-1的損耗，突出了TJ 結(jié)構(gòu)對于紫光和紫外VCSEL 在改善電流擴散和減小損耗兩個方面的重要性。

圖13 多層ITO 薄膜的折射率和吸收系數(shù)分布［98，100-101］Fig.13 Refractive index and absorption coefficient dispersion for multi-layer ITO films［98，100-101］

表2 列出了該器件p 側(cè)各層材料的導熱系數(shù)［103-106］，具有隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的VCSEL 結(jié)構(gòu)如圖14所示，結(jié)合表3 和圖14 可以得到，氮化物的散熱能力高于氧化物，使用TJ 替代ITO 可以有效改善散熱。由于p-GaN對紫外波段的吸收高于n-GaN，所以對于TJ，可以減小p-GaN 厚度以改善光學損耗，有效提升VCSEL 的性能。在12 μm 的孔徑下，TJ VCSEL 的峰值功率約為550 μW，閾值電流密度約為3.5 kA/cm2，而ITO VCSEL 的峰值功率約為80 μW，閾值電流密度約為7 kA/cm2。結(jié)果表明，TJ 結(jié)構(gòu)的引入降低了VCSEL 的閾值電流密度，提高了峰值功率。

表2 圖14 中雙介質(zhì)DBR VCSEL 的p 側(cè)部分材料的典型室溫導熱系數(shù)Table 2 Typical thermal conductivities for some of the materials on the p-side of the VCSEL in Fig.18 at room-temperature

圖14 具有隧道結(jié)（TJ）結(jié)構(gòu)的VCSEL 結(jié)構(gòu)示意圖［100］Fig.14 Schematic diagram of a VCSEL with TJ［100］

2.2.2 載流子注入效率（載流子泄露、p 摻雜）

2.2.2.1 電子阻擋層

對于AlGaN 基VCSEL，由于AlGaN 的p 型摻雜更加困難，導致載流子非平衡注入有源區(qū)的情況嚴重，電子從有源區(qū)泄露到p 區(qū)也更嚴重。因此，需要設計更優(yōu)的電子阻擋層（EBL）來阻止電子泄露。由于在紫外VCSEL 中，尤其是深紫外波段，電子勢壘層需要與量子阱中的壘層形成有效的電子帶階，材料可選擇范圍越來越小，必須采用AlN 或高Al 組分AlGaN 層。

在2014年，MEHNKE F 等用AlN 作為深紫外LED 的EBL［107］，改善了電子泄露的問題和外量子效率。但是較厚的AlN 會帶來導電性不足的缺陷；厚度變薄時，又會增加電子隧穿的概率。

1986年日本的伊賀健一等提出了多量子勢壘（Multiquantum Barrier，MQB）的概念，由于電子波動性明顯，MQB 對電子波存在著干涉增強的作用，合理設置各層厚度可使得對電子的反射率提高，進而起到對電子的阻擋效果［108］。2010年，日本的HIRAYAMA H 等報道了將MQB 引入深紫外LED 來提高外量子效率［109］，器件結(jié)構(gòu)如圖15。通過將“有效”勢壘高度增加了30%～50%，最終將250～260 nm 波段AlGaN LED的外量子效率（EQE）提高了2.5 倍以上。這說明MQB 結(jié)構(gòu)的EBL 可以有效改善深紫外AlGaN 發(fā)光器件的性能。

圖15 具有多量子勢壘電子阻擋層的250 nm AlGaN 多量子阱LED 的示意圖結(jié)構(gòu)［109］Fig.15 Structure of the 250 nm AlGaN MQW LED with MQB EBL［109］

2.2.2.2 p 型摻雜AlGaN 材料生長

在GaN 基VCSEL 中，p 型AlGaN 層的摻雜一直很難提高，影響了空穴橫向擴展能力，所以需要額外的電流擴展層以改善電流擁堵問題。目前，鎂（Mg）是用于Ⅲ族氮化物最普遍的p 型摻雜劑。然而，因為Mg 受主的激活能大［110］，獲得高電導率p 型AlGaN 層仍然比較困難。圖16 總結(jié)了Mg 摻雜AlGaN 中的激活能與Al 組分的變化關(guān)系［111-116］。Mg 的激活能從GaN 中的～170 meV 增加到AlN 中的630 meV。高的激活能意味著高Al 組分氮化物在常溫下只有少部分（約1/109）的Mg 受主雜質(zhì)熱激活出空穴［117］，這直接導致空穴濃度的下降，電阻率增大。

圖16 Mg 受主激活能大小隨Al 組分x 的變化［111-116］Fig.16 Variation of Mg acceptor activation energy with Al component x［111-116］

其次，Mg 在GaN 和AlN 中的固溶度低，影響了AlGaN 薄膜的有效摻雜效率。由于AlN 中的MgAl 形成焓比GaN 中MgGa 形成焓高得多，Mg 在AlN 中的固溶度比在GaN 中的固溶度低幾十倍。因此，隨著Al 組分增大，AlGaN 薄膜中Mg 固溶性問題變得愈加嚴重［118-119］。在高Al 組分AlGaN 薄膜中，受固溶度的限制，Mg 原子的摻入量低，因此相應的空穴濃度也更低。為了實現(xiàn)高空穴濃度，實驗上通常會增大Mg 摻雜劑濃度（1020～1021cm-3）。然而，隨著Mg 摻雜濃度的增大，空穴濃度會先達到飽和；若Mg 摻雜濃度繼續(xù)增大，則空穴濃度會下降，形成價帶尾態(tài)和雜質(zhì)帶。同時，當過量的Mg 摻入時，容易導致晶體質(zhì)量變差，大量缺陷充當空穴的俘獲或者散射中心，反而減小空穴濃度和遷移率［120］。

最后，在p 型AlGaN 材料中存在高密度的補償缺陷，如氮空位VN［121-122］，MgGa-VN［123-124］，間隙Mg 原子Mgi［125］等。其中，MgGa代表占據(jù)Ga 的Mg 原子；而VN作為受主補償中心，常常導致p 型GaN 中出現(xiàn)2.92 eV光致藍光峰。相比于GaN，由于VN在AlN 中的形成能更低，VN更容易形成［121，126］。通常間隙Mg 在Ⅲ族氮化物中充當雙施主［127］。由于p 型AlGaN 中的大部分點缺陷充當施主角色，自補償效應增強，導致載流子濃度和遷移率下降。此外，在MOCVD 生長過程中，Mg 摻雜同時會引入O 和H 雜質(zhì)，其中，O 通常充當施主，不利于p 型導電，而形成的Mg-H絡合物使Mg 被鈍化［128］，在GaN 材料中Mg-H絡合物的成鍵方式分別為（a）MgGa-N-H，（b）MgiH2，（c）MgGa-N-Gai-H2，（d）MgGa-N-Mgi-H［129-130］。只有經(jīng)過高溫退火后或者電子束照射后才能實現(xiàn)激活，獲得空穴載流子。

Ⅲ族氮化物的高效p 型摻雜一直是國際性的難點，尤其對高Al 組分的AlGaN 而言，由于受主能級位置隨著Al 組分增大而變深，獲得低阻、高空穴濃度的難度顯著增加。近年來，國際上對AlGaN 的p 型摻雜研究，除了均勻Mg 摻雜還包括：超晶格摻雜、Mg-δ摻雜法、金屬調(diào)制摻雜、漸變Al 組分極化場摻雜以及其他摻雜劑等方法：

1）超晶格摻雜近年來，調(diào)制摻雜的p 型超晶格結(jié)構(gòu)被用于提高Mg 的激活效率。在窄帶隙GaN 層和寬帶隙AlGaN 層構(gòu)成的GaN/AlGaN 超晶格結(jié)構(gòu)中，Mg 均勻摻雜濃度達到～1018cm-3。由于能帶結(jié)構(gòu)的周期性改變，空穴可以擴散到窄帶隙區(qū)，使整體空穴濃度增大。SIMON J 等理論上預測［131］，接近50%的受主被激活，比未由能帶調(diào)制的薄膜高出10 倍左右。然而，如果AlGaN 層太厚，二維空穴氣可能會聚集在超晶格界面處，這限制了自由空穴在垂直方向上的輸運。為此，采用超薄AlGaN 層的短周期超晶格結(jié)構(gòu)，通過量子遂穿或者熱電發(fā)射過程實現(xiàn)空穴的垂直方向輸運［132-133］。在應變界面的強極化場作用下，Al 組分為60%以上的薄膜中，受主激活能降低了17 meV［133］。這種短周期超晶格結(jié)構(gòu)己經(jīng)應用于AlGaN 基的深紫外LED 器件中［134-136］。另外，NIKISHIN S A 等提出了由AlN 作為壘層（1.75～1.5 nm），Mg 摻雜Al0.08Ga0.92N 作為阱層（0.5～0.75 nm）所構(gòu)成的短周期超晶格結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了空穴濃度為1×1018cm-3，低電阻率為6 Ω·cm［137］。同時，Mg 摻雜AlxGa1-xN/AlyGa1-yN 短周期的超晶格結(jié)構(gòu)也應用在紫外LED 器件中［113］，作為透明p 型電極且吸收率低。

2）δ摻雜法是指在生長過程中，脈沖式進行Mg 摻雜，使摻雜原子濃度在生長方向上呈現(xiàn)出類似δ函數(shù)分布的一種摻雜方法，即雜質(zhì)只分布于摻雜層，其它區(qū)域為0。這樣，Mg 摻雜薄層減小了自補償，提高了Mg在Al 或者Ga 位的并入［138］。這種方法有利于減小受主激活能，提高空穴濃度。CHEN Y D 等提出在Mg 的δ摻雜過程中采用In 作為表面活性劑［139］，在Al 組分高達40%的p 型AlGaN 薄膜中，空穴載流子濃度達到4.75×1018cm-3。

3）金屬調(diào)制摻雜金屬調(diào)制外延法（MME）適用于MBE 生長。在生長過程中，Mg 源和Ga 源周期性地切換。NAMKOONG G 等采用MME 方法對GaN 進行摻雜［140］，空穴濃度能夠達到1019cm-3。但是，采用該方法生長無反相疇結(jié)構(gòu)的高Al 組分AlGaN 非常困難。而且，由于MgAl的形成能高，Mg 原子不容易替換Al 位置，因此，迄今采用該方法生長的p 型AlGaN 中的最高Al 組分僅為27%。

4）漸變Al 組分極化場摻雜由于AlGaN 屬于極性材料，其異質(zhì)結(jié)薄膜在某一晶格方向上具有內(nèi)建電場。在異質(zhì)結(jié)界面上存在的極性摻雜特征導致界而處出現(xiàn)一層高密度載流子。SIMON J 等提出一種組分漸變的異質(zhì)層［141］，電荷分布滿足于ρ(z) =-?·P(z)。其中，ρ（z）為電荷密度，?為散射算符，P（z）是極化強度。當AlxGa1-xN 在（000）面上，從Al 組分x=0（GaN）漸變到x=1（AlN）生長時，此時薄膜存在著張應變，極化電荷為負電荷（ρ＜0），相同數(shù)量的空穴會從各種受主雜質(zhì)或者缺陷中產(chǎn)生來中和負電荷，效果類似于p 型摻雜。

考慮改變Al 組分漸變方向即從x=1（AlN）到x=0（GaN）漸變生長，ZHANG L 等提出了在厚AlN 緩沖層上生長組分漸變的AlGaN 層。由于厚A1N 緩沖層可以被認為是完全弛豫，因此在Al 極性面上沒有應變，只存在自發(fā)極化現(xiàn)象［142］。由于存在晶格失配，在AlN 緩沖層上生長的AlGaN 中的應變?yōu)閴簯?，存在自發(fā)極化和壓電極化，在AlN/AlGaN 界面上的凈電荷密度為負，導致漸變的AlGaN 層出現(xiàn)自由移動的空穴，類似于p 型摻雜作用。目前，盡管該方法能夠?qū)崿F(xiàn)誘導產(chǎn)生空穴，但在器件應用方面，非故意摻雜下的載流子數(shù)量，尤其空穴數(shù)量不足［143-144］。但通過結(jié)合極化誘導方法與有意摻雜手段，能夠獲得接近簡并的p 型摻雜效果。

5）嘗試其他摻雜劑由于Mg 摻雜AlGaN 生長困難，人們也在嘗試其它可能的摻雜劑。2012年，KAWANISHI H 等將碳作為摻雜劑制備p 型AlGaN 薄膜［145］，Al組分為10%時，其空穴濃度達到3.2×1018cm-3。2013年，LI S 等采用Be 摻雜劑，用MBE 生長出極化摻雜的線性漸變AlxGa1-xN（x變化范圍為70%～100%），誘導空穴濃度達到1018cm-3［146］。

3 總結(jié)及展望

1979年VCSEL 的問世標志著新型激光器的歷史元年，而如今，距離實現(xiàn)第一個GaN VCSEL 已有二十多年，憑借著單色性好、方向性好、圓形光斑、可二維集成等優(yōu)點，GaN VCSEL 的應用場景已經(jīng)覆蓋了照明、通信、投影顯示、光存儲、醫(yī)療、微型原子鐘及傳感器等各個方面。

自從1995年HONDA T 等首先對GaN VCSEL 的閾值特性進行理論計算研究以及1996年REDWING J M 等實現(xiàn)第一個光泵GaN VCSEL，世界各大研究機構(gòu)對GaN VCSEL 的研究腳步就從未停止，之后的二十年，GaN VCSEL 的研究進展迅猛。東京大學、布朗大學、日本NTT 公司、廈門大學、臺灣交通大學、瑞士洛桑理工大學等機構(gòu)的研究小組也相繼實現(xiàn)了各種結(jié)構(gòu)GaN VCSEL 的光泵激射。2008年，臺灣交通大學的王興宗研究組成功實現(xiàn)了世界上第一支電注入GaN VCSEL，標志著GaN VCSEL 發(fā)展的新紀元。隨后越來越多的研究人員投入到電注入GaN VCSEL 的研發(fā)之中，如今藍光和綠光VCSEL 已經(jīng)實現(xiàn)光泵和電泵激射，而紫外VCSEL 已經(jīng)延伸到了深紫外波段，目前為止實現(xiàn)了最短波長275.9 nm 的光泵激射，電注入紫外VCSEL 的解決方案還在研究當中。

對于紫外VCSEL，氮化鎵（GaN）、氮化鋁（AlN）及其三元合金的Ⅲ族氮化物，具有直接帶隙寬、高擊穿電壓、高熱穩(wěn)定性以及高的發(fā)光效率，AlGaN 在光學以及電學應用方面有著廣闊的前景，值得進一步研究以及探索。隨著氮化物VCSEL 的探索逐漸向紫外和更短波長延伸，基于AlGaN 材料的深紫外VCSEL 是今后研究的熱點。然而，基于AlGaN 的紫外VCSEL 具有極大的挑戰(zhàn)性，存在不少困難：1）低位錯密度、高晶體質(zhì)量的AlGaN 外延層的獲得；2）低損傷的AlGaN 外延片激光剝離工藝；3）良好的電流擴展結(jié)構(gòu)，以減少載流子注入過程中的損耗；4）良好的光學限制結(jié)構(gòu)，以減少光的損失；5）合適的電子阻擋層，減少載流子泄露以提高載流子注入效率；6）AlGaN 的p 型摻雜仍然是亟需解決的關(guān)鍵問題。雖然存在著不少技術(shù)困難，但基于AlGaN 的紫外VCSEL 的未來仍充滿了機遇，隨著紫外，特別是深紫外波段在醫(yī)療診斷、生化醫(yī)學與防治、原子捕獲、光譜學、激光光刻、激光高密度存儲等重要的領(lǐng)域有著更大的需求，它將成為支持未來信息社會必不可少的關(guān)鍵組件。