然而，砷化物長久以來也一直被用于制造紅光LED和EEL，卻無法發(fā)射更短波長的光。因此，另一眾人皆知的制造藍(lán)光和綠光VCSEL的解決方案則是用氮化物代替，而氮化物是用于制造藍(lán)光和綠光LED以及EEL材料體系中的一員。目前市場上所有開發(fā)藍(lán)光和綠光VCSEL的團(tuán)隊(duì)都采用了此方法，但它也存在一些缺陷。特別是，氮化物的折射率相對比較接近。因此，獲得足夠數(shù)量的反射鏡需要大約兩倍的層數(shù)，從而導(dǎo)致制作整個(gè)器件結(jié)構(gòu)的時(shí)間長得令人無法接受。

介電材料橫空出世

認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，瑞士EPFL（洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院）創(chuàng)新氮化物VCSEL小組的負(fù)責(zé)人Nicolas Grandjean選擇用一對折射率有顯著差異的介電材料制成頂部反射鏡取代傳統(tǒng)頂部反射鏡。Grandjean和他的同事用氮化硅和二氧化硅制作了這面頂部反射鏡，從而將反射鏡的層數(shù)減少到16對。

即使通過以上方法獲得了明顯改進(jìn)，制造此類器件也絕非易事。其中一部分原因是同樣生長底部氮化物反射鏡，藍(lán)光和綠光VCSEL比砷化物制成的器件更具挑戰(zhàn)性。AlGaAs和GaAs晶體結(jié)構(gòu)中的原子間隔距離幾乎一致，所以當(dāng)一種材料在另一種材料上進(jìn)行生長時(shí)，其晶體結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變聚集。這一點(diǎn)很重要，如果不加以確認(rèn)，應(yīng)變會(huì)產(chǎn)生損害性能的缺陷。

圖3：更高功率：致力提高氮化物VCSEL的輸出功率激發(fā)了多種設(shè)計(jì)靈感。

上圖顯示了迄今為止輸出功率最高的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)由名城大學(xué)（Meijo University）和日本斯坦雷電氣株式會(huì)社（Stanley Electric）的研究人員合作完成，其中包含了由氮化鋁銦（AlInN）層和氮化鎵（GaN）層交替制成的底部反射鏡（學(xué)名為分布式布拉格反射鏡，或DBR反射鏡）；由兩種介電材料層，即氧化鈮（Nb2O5）和二氧化硅（SiO2）交替制成的頂部反射鏡；以及在GaN襯底上生長的氮化鎵銦（GaInN）的有源層。

為了防止氮化物層中應(yīng)變的積累，Grandjean及其同事將GaN與AlInN合金配對，從而產(chǎn)生晶格匹配Al0.83In0.17N結(jié)構(gòu)的GaN。雖然用該材料制作均勻分布的薄膜并不容易，但Grandjean的團(tuán)隊(duì)找到了在制造VCSEL之前生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)AlInN的方法。他們的設(shè)計(jì)中有一個(gè)通過氧化AlInN形成的孔，并采用向器件注入電流的新方法。在傳統(tǒng)的VCSEL中，電流流經(jīng)反射鏡。但由于電介質(zhì)反射鏡不導(dǎo)電，所以在腔體的兩側(cè)增加了電極。

穩(wěn)步前行的藍(lán)光VCSEL

Grandjean團(tuán)隊(duì)的工作持續(xù)進(jìn)行了十多年，在2007年實(shí)現(xiàn)了重大突破，當(dāng)時(shí)他們向眾人展示了用氬離子激光器泵浦的藍(lán)光VCSEL發(fā)射的激光。然而，當(dāng)他們對VCSEL進(jìn)行電驅(qū)動(dòng)時(shí)（一種實(shí)用器件所需的操作模式），他們只能從中提取非相干光源。如需進(jìn)一步發(fā)展則需對制造工藝進(jìn)行改進(jìn)，但這項(xiàng)工作所需的資金卻無法獲得批準(zhǔn)。部分原因是決策者認(rèn)為，日本研究人員在20世紀(jì)90年代開創(chuàng)了氮化物發(fā)光器件，不久的將來他們必定會(huì)在此領(lǐng)域有重大突破。

總體來說，他們是正確的：關(guān)于VCSEL開發(fā)的大部分后續(xù)進(jìn)展的確來自日本電子公司的科學(xué)家們。然而，其他團(tuán)隊(duì)也做出了寶貴貢獻(xiàn)。其中包括來自臺(tái)灣國立交通大學(xué)（National Chiao Tung University）的團(tuán)隊(duì)，該團(tuán)隊(duì)在2008年4月發(fā)布了首款電驅(qū)動(dòng)氮化物VCSEL。為了將激光從他們制作的器件中引出，研究人員通過液氮進(jìn)行冷卻。然而，這種方法對于商業(yè)光源來說并不實(shí)用，但在2008年下半年，日本公司Nichia的研究人員生產(chǎn)出了首個(gè)能夠在室溫下工作的藍(lán)光VCSEL，取得了進(jìn)一步的進(jìn)展。值得一提的是，Nichia公司也是諾貝爾獎(jiǎng)獲得者中村修二（Shuji Nakamura）度過大部分職業(yè)生涯的企業(yè)，他因發(fā)明了藍(lán)光LED獲得了2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

Nichia的突破為VCSEL的設(shè)計(jì)開辟了新天地，完全省去了氮化物反射鏡。但是，這是否會(huì)使VCSEL更容易制造還值得商榷。諧振腔生長結(jié)束后，必須將其從為其生長提供基礎(chǔ)的襯底上移除，然后再仔細(xì)拋光至非常精確的厚度，該厚度由激光波長決定。盡管如此，Nichia仍然堅(jiān)持這一設(shè)計(jì)，2009年，其工程師宣布，他們已經(jīng)通過將襯底從藍(lán)寶石轉(zhuǎn)換為GaN，激光輸出從0.14mW增加到0.62mW的。這一變化提高了材料質(zhì)量，將缺陷削減了三個(gè)數(shù)量級(jí)。

不幸的是，Nichia團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，僅運(yùn)行10分鐘后，閾值電流就開始出現(xiàn)漂移，推測可能是因?yàn)閽伖膺^程中在GaN晶圓中誘發(fā)了機(jī)械應(yīng)力。該公司報(bào)告稱，其藍(lán)光VCSEL的輸出功率在2011年略有提高，但自2012年以來，該公司未就此發(fā)表任何說明，這表明其工藝存在重大問題。