蘇州納米所研制新型氮化鎵半導(dǎo)體激光器

  III族氮化物半導(dǎo)體是繼第一代Si、Ge元素半導(dǎo)體和第二代GaAs、InP化合物半導(dǎo)體之后的第三代半導(dǎo)體，通常又被稱為寬禁帶半導(dǎo)體。其為直接帶隙材料，禁帶寬度在0.7 eV (InN)至6.2 eV (AlN)之間連續(xù)可調(diào)，發(fā)光波長(zhǎng)覆蓋了近紅外、可見(jiàn)光到深紫外等波段;其還具有發(fā)光效率高、熱導(dǎo)率大、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，可用于制作半導(dǎo)體激光器?；贗II族氮化物的半導(dǎo)體激光器在激光顯示、激光照明、激光通信、材料加工和激光醫(yī)療等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用(圖1)，因此得到了國(guó)內(nèi)外產(chǎn)業(yè)界知名企業(yè)和全球頂尖科研機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注。

圖1. GaN基激光器的應(yīng)用場(chǎng)景。

  自1996年日本日亞公司研制了國(guó)際首支GaN基激光器以來(lái)，GaN基激光器性能得到了巨大提升，單顆芯片連續(xù)輸出功率已超過(guò)7瓦，然而其電光轉(zhuǎn)換效率仍然較低(<50%)，遠(yuǎn)小于GaAs基激光器的電光轉(zhuǎn)換效率(≈80%)。究其主要原因是GaN基激光器的串聯(lián)電阻較大、熱阻較高，導(dǎo)致工作電壓和工作結(jié)溫較高，最終嚴(yán)重影響了器件性能和可靠性。針對(duì)上述問(wèn)題，中科院蘇州納米所孫錢團(tuán)隊(duì)從半導(dǎo)體摻雜和載流子輸運(yùn)理論出發(fā)，有效利用III族氮化物材料中施主激活效率比受主高、電子遷移率比空穴大的特點(diǎn)，提出了一種新型GaN基激光器結(jié)構(gòu)：翻轉(zhuǎn)脊形波導(dǎo)激光器(圖2)，該結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是將脊形波導(dǎo)從高電阻率的p側(cè)轉(zhuǎn)移到低電阻率的n側(cè)，可大幅降低器件的串聯(lián)電阻和熱阻，顯著降低工作電壓和結(jié)溫，從而有效提升器件性能和可靠性。另外，翻轉(zhuǎn)脊形波導(dǎo)激光器還可與硅基CMOS實(shí)現(xiàn)更好的兼容。相關(guān)結(jié)構(gòu)申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利并已授權(quán)(ZL 201710022586.5);還通過(guò)PCT(PCT/CN2017/116518)進(jìn)入了美國(guó)、日本、德國(guó)，其中美國(guó)專利已授權(quán)(US 10840419)。

圖2. (a) GaN基常規(guī)脊形波導(dǎo)激光器和(b)翻轉(zhuǎn)脊形波導(dǎo)激光器結(jié)構(gòu)示意圖。

  基于上述研究背景，中科院蘇州納米所孫錢研究團(tuán)隊(duì)在前期研究基礎(chǔ)上，(1)設(shè)計(jì)了基于非對(duì)稱波導(dǎo)的翻轉(zhuǎn)脊形波導(dǎo)激光器結(jié)構(gòu)，有效降低了內(nèi)部光損耗;(2)研究了硅基GaN翻轉(zhuǎn)脊形波導(dǎo)激光器中的應(yīng)力調(diào)控與缺陷控制技術(shù)，生長(zhǎng)了高質(zhì)量的激光器材料(Optics Express 2019, 27, 25943; Optics Express 2020, 28, 12201; Journal of Physics D: Applied Physics 2019, 52, 425102)，如圖3所示;(3)開(kāi)發(fā)了室溫低比接觸電阻率的氮面n-GaN非合金歐姆接觸技術(shù)(Solid State Electronics 2020, 171, 107863);(4)聯(lián)合Nano-X開(kāi)發(fā)了基于干法刻蝕的激光器腔面制備技術(shù)(圖3)。

  圖3. 硅基GaN翻轉(zhuǎn)脊形波導(dǎo)激光器的(a)掃描透射電子顯微鏡(STEM)圖，(b)有源區(qū)的STEM圖，(c)激光器腔面的掃描電子顯微鏡(SEM)圖。

  基于上述工作，孫錢團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了硅基GaN翻轉(zhuǎn)脊形波導(dǎo)激光器的室溫電注入連續(xù)激射(圖4)。在閾值電流(350 mA)處，翻轉(zhuǎn)脊形波導(dǎo)激光器的微分電阻和工作電壓分別為1.2 ?和4.15 V，比常規(guī)結(jié)構(gòu)激光器低48%和1.41 V;翻轉(zhuǎn)脊形波導(dǎo)激光器的工作結(jié)溫和熱阻分別為48.5 oC和18.2 K/W，比常規(guī)結(jié)構(gòu)激光器低25 oC和8 K/W。仿真結(jié)果表明采用更高熱導(dǎo)率的焊料和熱沉，翻轉(zhuǎn)脊形波導(dǎo)激光器的工作結(jié)溫和熱阻可進(jìn)一步降低至34.7 oC和8.7 K/W。綜上，GaN基翻轉(zhuǎn)脊形波導(dǎo)激光器在串聯(lián)電阻和熱阻方面優(yōu)勢(shì)巨大，可大幅提升III族氮化物半導(dǎo)體激光器的電光轉(zhuǎn)換效率等器件性能和可靠性。

  圖4. 硅基GaN翻轉(zhuǎn)脊形波導(dǎo)激光器(脊形尺寸：10×800 μm2)的(a)不同注入電流下的電致發(fā)光光譜，(b)電致發(fā)光光譜峰值波長(zhǎng)與半高寬隨注入電流的變化曲線，(c) 0.8倍和(d) 1.2倍閾值電流下的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑，(e)輸出功率-電流曲線。

  該研究成果以InGaN-based lasers with an inverted ridge waveguide heterogeneously integrated on Si(100)為題發(fā)表在ACS Photonics 2020, 7, 2636 (網(wǎng)址鏈接https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.0c01061)，并被半導(dǎo)體行業(yè)權(quán)威雜志Semiconductor Today報(bào)道(網(wǎng)址鏈接http://www.semiconductor-today.com/news_items/2020/oct/sinano-151020.shtml)。論文第一作者是中科院蘇州納米所博士研究生周瑞和副研究員馮美鑫，通訊作者為孫錢研究員。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)課題和中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目等資助。