蘇州納米所研制新型氮化鎵半導體激光器

  III族氮化物半導體是繼第一代Si、Ge元素半導體和第二代GaAs、InP化合物半導體之后的第三代半導體，通常又被稱為寬禁帶半導體。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，發(fā)光波長覆蓋了近紅外、可見光到深紫外等波段;其還具有發(fā)光效率高、熱導率大、化學穩(wěn)定性好等優(yōu)點，可用于制作半導體激光器?；贗II族氮化物的半導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)療等領域具有重要的應用(圖1)，因此得到了國內外產業(yè)界知名企業(yè)和全球頂尖科研機構的廣泛關注。

圖1. GaN基激光器的應用場景。

  自1996年日本日亞公司研制了國際首支GaN基激光器以來，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7瓦，然而其電光轉換效率仍然較低(<50%)，遠小于GaAs基激光器的電光轉換效率(≈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，導致工作電壓和工作結溫較高，最終嚴重影響了器件性能和可靠性。針對上述問題，中科院蘇州納米所孫錢團隊從半導體摻雜和載流子輸運理論出發(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，提出了一種新型GaN基激光器結構：翻轉脊形波導激光器(圖2)，該結構的關鍵是將脊形波導從高電阻率的p側轉移到低電阻率的n側，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溫，從而有效提升器件性能和可靠性。另外，翻轉脊形波導激光器還可與硅基CMOS實現(xiàn)更好的兼容。相關結構申請了國家發(fā)明專利并已授權(ZL 201710022586.5);還通過PCT(PCT/CN2017/116518)進入了美國、日本、德國，其中美國專利已授權(US 10840419)。

圖2. (a) GaN基常規(guī)脊形波導激光器和(b)翻轉脊形波導激光器結構示意圖。

  基于上述研究背景，中科院蘇州納米所孫錢研究團隊在前期研究基礎上，(1)設計了基于非對稱波導的翻轉脊形波導激光器結構，有效降低了內部光損耗;(2)研究了硅基GaN翻轉脊形波導激光器中的應力調控與缺陷控制技術，生長了高質量的激光器材料(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(Solid State Electronics 2020, 171, 107863);(4)聯(lián)合Nano-X開發(fā)了基于干法刻蝕的激光器腔面制備技術(圖3)。

  圖3. 硅基GaN翻轉脊形波導激光器的(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，孫錢團隊實現(xiàn)了硅基GaN翻轉脊形波導激光器的室溫電注入連續(xù)激射(圖4)。在閾值電流(350 mA)處，翻轉脊形波導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)結構激光器低48%和1.41 V;翻轉脊形波導激光器的工作結溫和熱阻分別為48.5 oC和18.2 K/W，比常規(guī)結構激光器低25 oC和8 K/W。仿真結果表明采用更高熱導率的焊料和熱沉，翻轉脊形波導激光器的工作結溫和熱阻可進一步降低至34.7 oC和8.7 K/W。綜上，GaN基翻轉脊形波導激光器在串聯(lián)電阻和熱阻方面優(yōu)勢巨大，可大幅提升III族氮化物半導體激光器的電光轉換效率等器件性能和可靠性。

  圖4. 硅基GaN翻轉脊形波導激光器(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倍閾值電流下的遠場光斑，(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 (網址鏈接https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.0c01061)，并被半導體行業(yè)權威雜志Semiconductor Today報道(網址鏈接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。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃課題、國家自然科學基金面上項目、中國科學院先導專項課題和中國科學院前沿科學重點研究項目等資助。