蘇州納米所孫錢團隊研制出一種新型的氮化镓半導體激光器

  III族氮化物半導體是繼第一代SiGe元素半導體和第二代GaAsInP化合物半導體之後的第三代半導體,通常又被稱爲寬禁帶半導體。其爲直接帶隙材料,禁帶寬度在0.7 eV (InN)6.2 eV (AlN)之間連續可調,發光波長覆蓋了近紅外、可見光到深紫外等波段;其還具有發光效率高、熱導率大、化學穩定性好等優點,可用于制作半導體激光器。基于III族氮化物的半導體激光器在激光顯示、激光照明、激光通信、材料加工簣Dす忉t療等領域具有重要的應用(1),因此得到了國內外産業界知名企業和全球頂尖科研機構的廣泛關注。 

           1. GaN基激光器的應用場景。 

  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,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(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侧,可大幅降低器件的串联电阻和热阻,显著降低工作电压和结温,从而有效提升器件性能和可靠性。另外,翻轉脊形波導激光器还可与矽基CMOS實現更好的兼容。相關結構申請了國家發明專利並已授權(ZL201710022586.5);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) 

           2. (a) GaN基常規脊形波導激光器和(b)翻轉脊形波導激光器结构示意圖。 

  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)设计了基于非对称波导的翻轉脊形波導激光器结构,有效降低了内部光损耗;(2)研究了矽基GaN翻轉脊形波導激光器中的应力调控与缺陷控制技术,生长了高质量的激光器材料(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)聯合Nano-X開發了基于幹法刻蝕的激光器腔面制備技術(3) 

           3. 矽基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,孙钱团队实现了矽基GaN翻轉脊形波導激光器的室温电注入连续激射(4)在阈值電流(350 mA)處,翻轉脊形波導激光器的微分電阻和工作電壓分別爲1.2歐4.15 V,比常規結構激光器低48%1.41 V;翻轉脊形波導激光器的工作结温和热阻分别为48.5 oC18.2 K/W,比常規結構激光器低25 oC8 K/W。仿真结果表明采用更高热导率的焊料和热沉,翻轉脊形波導激光器的工作结温和热阻可进一步降低至34.7 oC8.7 K/W。綜上,GaN基翻轉脊形波導激光器在串联电阻和热阻方面优势巨大,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。 

        4. 矽基GaN翻轉脊形波導激光器(脊形尺寸:10×800 μm2)(a)不同注入電流下電致發光光譜,(b)電致發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倍阈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)爲題發表在ACS Photonics 2020, 7, 2636,並被半導體行業權威雜志Semiconductor Today報道。論文第一作者是中科院苏州纳米所博士研究生周瑞和副研究員冯美鑫,通讯作者为孙钱研究员。该工作得到了国家重点研发计划课题、国家自然科学基金面上项目、中國科學院先导专项课题和中國科學院前沿科学重点研究项目等资助。 


附件下載: