VCSEL(垂直腔面发射激光器)及其阵列是一种新型半导体激光器，它是光子学器件在集成化方面的重大突破，它与侧面发光的端面发射激光器在结构上有着很大的不同。端面发射激光器的出射光垂直于晶片的解理平面；与此相反，VCSEL的发光束垂直于晶片表面。它优于端面发射激光器的表现在：

●易于实现二维平面和光电集成；

●圆形光束易于实现与光纤的有效耦合；

●有源区尺寸极小，可实现高封装密度和低阈值电流；

●芯片生长后无须解理、封装即可进行在片实验；

●在很宽的温度和电流范围内都以单纵模工作；

●价格低。

(1)结构

(2)衬底的选择

硅上VCSEL

在硅（Si）上制作的VCSEL还不曾实现室温连续波工作。这是由于将AlAs/GaAs DFB直接生长在#p#分页标题#e#Si上，其界面不平整所致，使DFB的反射率较低。日本Toyohashi大学的研究者由于在GaAs/Si异质界面处引入多层（GaAs）m（GaP）n应变短周期超晶格（SSPS）结构而降低了GaAs-on-Si异质结外延层的螺位错密度。

蓝宝石上VCSEL

美国南方加利福利亚大学的光子技术中心为使底部发射850nm VCSEL发射的光穿过衬底，采用晶片键合工艺将VCSEL结构从吸收光的GaAs衬底移开，转移到透明的蓝宝石衬底上，提高了wall-plug#p#分页标题#e#效率，最大值达到25%。
GaAs上VCSEL

基于GaAs基材料系统的VCSEL由于高的Q值而备受研究者青睐，目前VCSEL最多也是生长在GaAs衬底上。但以GaAsSb QW作为有源区的CW长波长VCSEL发射波长被限制在 1.23 m 。发射波长 1.3 m 的GaAsSb-GaAs系统只有侧面发射激光器中报道过。日前美国贝尔实验室的F.Quochi等人演示了室温CW时激射波长为～ #p#分页标题#e# 1.28 m 的生长在GaAs衬底下的光泵浦GaAsSb-GaAs QW VCSEL。这个波长是目前报道的GaAsSb-GaAs材料系最长的输出波长。

(3)新工艺

氧化物限制工艺

氧化物限制的重大意义在于：能较高水平地控制发射区面积和芯片尺寸，并能极大地提高效率和使光束稳定地耦合进单模和多模光纤。因此，采用氧化物限制方案器件有望将阈值电流降到几百Ａ，而驱动电流达到几个mA就足以产生1mW左右的输出光功率。

采用氧化孔径来限制电流与光场，使效率得到显著提高，同时降低了VCSEL的阈值电流。所以，现在极有可能在单个芯片上制作大型和密集型封装的氧化限制VCSEL阵列而不会存在严重的过热问题。除低阈值电流和高效率外，均匀性是成功的VCSEL阵列的又一重要因素。在驻波节点处设置微氧化孔提高了VCSEL阵列的均匀性，并降低了小孔器件的散射损耗。美国University of Southern California大学日前演示的均匀晶片键合氧化限制底部发射850nm VCSEL阵列中，#p#分页标题#e#5 5 VCSEL阵列的平均阈值电流低至 346 A ，而平均外量子效率接近57%，室温连续波电流激射时单模输出功率超过2 mW。他们还演示了大（10 20）VCSEL阵列，其阈值电流和外量子效率的变化分别低于4%与2%。

晶片键合工艺

长波长垂直腔面发射激光器（LW-VCSEL）因其低价格、超低阈值和小的光束发散，作为光纤通信系统中的激光源有很大的潜力。但是由于它的氧化层和有源层间存在着为满足足够的电流传播和弱的光横向限制的固有距离，使LW-VCSEL遭受横电光限制，因此在高的结电流时会出现一个不稳定的横模图形。

日本NTT光子实验室将具有充分的横向限制的掩埋异质结（BH）引入 1.55 m VCSEL#p#分页标题#e#中，采用了薄膜晶片键合工艺使InP基掩埋异质结VCSEL制作在GaAs-DBR上。具体过程:（a）采用MOCVD生长InP基激光器结构（第一次生长）；（b）采用反应离子刻蚀（RIE）形成台面方形；（c）再一次生长掺Fe InP层和n-InP层（第二次生长）；（d）又一次生长p-InP相位匹配和p-InGaAs接触层（第三次生长）；（e）将外延层安装在Si板上并用蜡作机械支撑；（#p#分页标题#e#f）采用HCl和H3PO4化学溶液腐蚀InP衬底和InGaAsP腐蚀中止层；（g）将InP基和GaAs基层的两表面在相同结晶方向面对面放置，然后在室温下蜡熔解而使Si片分开，将样品送入退火炉以形成化学键合；（h）将台面上部的p-InGaAs移开并将普通电极和SiO2-TiO2介质镜从台面上移去。底部涂覆一层抗反射涂层。

因为熔合界面远离有源区，而且它不在器件电流通过的路径上，所以晶片键合过程不会影响器件特性。

此LW-VCSEL结构有以下优点：首先，谐振腔波长可在晶片融合之前监控，因此发射波长可以提前控制。第二，激光器工作的可靠性会由于有源层和InP-GaAs熔合界面之间有足够距离而变得很高。此外，它能低电压工作的潜力在很大程度上是因为p-GaAs-AlAs DBR#p#分页标题#e#和p-InP-p-GaAs界面间的高电阻得到了消除。