​日本研究团队在腔长调控领域取得了新的突破，他们开发出了一种精确的GaN基VCSEL腔长控制方法。这种VCSEL由两层半导体镜——分布式布拉格反射器（DBR）构成，中间隔着有源GaN半导体层，形成了一个光学谐振腔。这个谐振腔的长度，对于激光波长的精确控制至关重要。

迄今为止，科学家们已经探索出了两种GaN基VCSEL结构，一种是底部电介质DBR，另一种是底部AlInN/GaN DBR。这两种结构都展现了出色的性能，VSCEL的光输出功率超过20mW，壁塞效率（WPE）更是高达10%以上。然而，AlInN/GaN DBR的截止波长带宽相对较窄，这在一定程度上限制了VCSEL发出光的波长范围。

传统的腔长控制方法依赖于对测试腔层进行预实验，来确定其生长速率。但这种方法存在一个明显的缺陷：它无法避免VCSEL腔的估计厚度和最终厚度之间存在误差。这种误差可能导致谐振波长超出AlInN/GaN DBR的窄截止带宽，从而对性能产生严重影响。

为了攻克这一难题，名城大学材料科学与工程系的竹内哲也教授领导的研究团队，提出了一种全新的原位腔长控制方法。他们利用原位反射光谱测量技术，精确控制GaN层的生长，将目标共振波长的偏差缩小至0.5%。更令人振奋的是，他们成功地将这一创新技术扩展到了完整VSCEL的腔长控制中。

竹内教授解释道：“VCSEL的腔体不仅包含GaN层，还涉及氧化铟锡（ITO）电极和五氧化二铌（Nb2O5）间隔层。这些层无法通过相同的原位反射光谱测量系统进行控制。在这项研究中，我们开发了一种新技术，能够精确校准这些附加层的厚度，从而制造出高效的VCSEL。”

这一研究成果于2024年3月28日在《应用物理快报》杂志第124卷第13期上得以发表。为了校准附加层的厚度，研究团队在利用原位腔控制生长的GaN测试结构上，沉积了不同厚度的ITO电极和Nb2O5间隔层。鉴于原位反射率测量无法应用于这些附加层，他们采用了非原位反射率光谱测量技术，直接评估了这些测试腔结构的共振波长。实验发现，随着ITO和Nb2O5层厚度的增加，共振波长发生了红移。

接下来，研究人员进一步分析了共振波长偏移与ITO和Nb2O5层厚度之间的关系，从而获得了关于其光学厚度的精确信息。利用这些信息，他们成功地对ITO和Nb2O5层的厚度进行了精确校准，使其接近目标VCSEL共振波长。这种方法将共振波长控制的偏差降低到3%以内，与光学厚度方面的原位控制方法不相上下。

最后，研究人员将调谐后的ITO电极和Nb2O5间隔层应用于通过原位腔控制生长的VCSEL腔中，成功制造出了孔径尺寸为5至20µm的GaN-VCSEL。这些VCSEL的峰值发射波长与设计谐振波长的偏差仅为0.1%。值得一提的是，得益于精确的腔长控制，5µm孔径的VCSEL实现了高达21.1%的WPE，这一成果堪称卓越。

竹内教授总结道：“精确控制GaN层的原位厚度，并结合ITO电极和Nb2O5间隔层的厚度校准，就像使用高度精确的天平构建详细的架子一样，能够实现对VCSEL制造过程的高度控制。这为获得高性能和高可重复性的GaN基VCSELs以用于高效的光电器件提供了一个强大的工具。”这一突破性的研究成果，无疑为光电器件领域的发展注入了新的活力。
 

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