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2008-05-23 15:59 |
新一代藍(lán)光激光二極管材料-無(wú)極性氮化鎵
最新研究結(jié)果顯示，m晶面氮化鎵材料制作的半導(dǎo)體激光器有潛力克服現(xiàn)有藍(lán)光二極管技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)。 D#^v=U
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自1996年藍(lán)紫波段的氮化鎵半導(dǎo)體激光器首次成功運(yùn)轉(zhuǎn)以來(lái)，十年間，人們已經(jīng)在該領(lǐng)域取得了相當(dāng)顯著的成績(jī)。外延生長(zhǎng)技術(shù)的進(jìn)步、低缺陷襯底材料和成熟的器件設(shè)計(jì)，已經(jīng)使具有商業(yè)化價(jià)值的高性能激光器成為現(xiàn)實(shí)。這些產(chǎn)品已作為關(guān)鍵部件應(yīng)用于下一代DVD播放系統(tǒng)中，比如藍(lán)光光盤和HD-DVD。此外，這些激光器也非常適合用于投影顯示、高精度印刷和光學(xué)傳感等領(lǐng)域。 [G t|Qp[
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然而，傳統(tǒng)的氮化鎵激光器雖然取得了巨大成功，卻受困于材料固有的限制，也就是外加電場(chǎng)的極化特性制約了激光器的光學(xué)效率。為了解決這一基礎(chǔ)性問(wèn)題，加州大學(xué)圣巴巴拉分校的研究小組一直在探索采用無(wú)極性晶面制作氮化鎵激光二極管，從而避免極化電場(chǎng)的影響。無(wú)極性氮化鎵激光二極管作為一種備選結(jié)構(gòu)已得到迅速改進(jìn)，它正像人們所期望的那樣，正在替代基于極性c面的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 'X@j
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傳統(tǒng)的氮化鎵激光二極管制作在纖鋅礦晶格的c平面上，因此存在異質(zhì)結(jié)構(gòu)自發(fā)的壓電極化效應(yīng)。[1] 這些極化效應(yīng)產(chǎn)生干擾InGaN量子阱的電場(chǎng)，使阱區(qū)能帶變?yōu)槿切�，電子和空穴的波函�?shù)在空間上發(fā)生分離，導(dǎo)致輻射復(fù)合效率降低。對(duì)于電注入激光二極管而言，外部注入的載流子必須經(jīng)過(guò)這些電場(chǎng)區(qū)域，并且在獲得有效增益前先要填平傾斜的能帶。這個(gè)過(guò)程相當(dāng)于使激光器的閾值電流密度增大。 k3^S^Bv\
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而且，c面結(jié)構(gòu)通常要求采用小于4nm厚的薄層量子阱，以緩解與極化相關(guān)的效應(yīng)，因?yàn)榱孔于搴穸容^大時(shí)極化干擾非常強(qiáng)。這一要求給c面氮化鎵激光器帶來(lái)了光學(xué)設(shè)計(jì)上的難題。困難之一就是需要引入較厚的含鋁的波導(dǎo)覆蓋層，比如AlGaN/GaN超晶格，用于實(shí)現(xiàn)所需的橫向光場(chǎng)限制。然而，較厚的含鋁層通常加工起來(lái)很困難，會(huì)出現(xiàn)破裂、工作電壓更高、良品率更低、電抗穩(wěn)定性變差等問(wèn)題。 U%w ?muJW
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為了解決這些問(wèn)題，科研人員一直在開發(fā)基于氮化鎵無(wú)極性面的器件結(jié)構(gòu)。與c面激光二極管相比，無(wú)極性面激光二極管制作在纖鋅礦晶格的側(cè)面上，也就是常說(shuō)的m面。這樣的器件不受極化電場(chǎng)的影響，而c面器件則深受極化電場(chǎng)的影響。m面氮化鎵上生長(zhǎng)的InGaN量子阱的能帶不發(fā)生變形，其矩形結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的砷化鎵和磷化銦上的量子阱保持得更好。這些量子阱中不存在電子和空穴波函數(shù)分離的問(wèn)題，而這在c面結(jié)構(gòu)中是非常典型的。此外，由于沒(méi)有極化電場(chǎng)的影響，也就不需要有額外的載流子來(lái)保證有效的光學(xué)增益。實(shí)際上，理論分析預(yù)計(jì)這些結(jié)構(gòu)將具有更高的光增益。[2] +#'exgGU^[
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不易實(shí)現(xiàn)低缺陷密度襯底已成為開發(fā)基于無(wú)極性氮化鎵的發(fā)光二極管（LED）和激光二極管的一大障礙。最初，研究人員嘗試在其他襯底材料上采用異質(zhì)外延生長(zhǎng)無(wú)極性氮化鎵。但是，這種薄膜材料具有高密度線位錯(cuò)和錯(cuò)層等材料缺陷，制約了器件的光學(xué)性能。幸好，日本Mitsubishi化學(xué)公司最近開發(fā)出了一種低缺陷密度自支撐的m面氮化鎵襯底。這種襯底采用c晶向的氫化物氣相外延（VPE）生長(zhǎng)獲得，然后垂直切割獲得m面。m晶面的表面再采用化學(xué)機(jī)械表面處理方法進(jìn)行加工。最終得到的襯底具有小于5×106cm-2的線位錯(cuò)密度，由此使高效的無(wú)極性氮化鎵激光二極管得以制造成功。 ,B!u*
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2007年2月，UCSB和日本Rohm的兩個(gè)研究小組分別報(bào)道了制作第一支無(wú)極性氮化鎵激光二極管的信息。[3],[4] UCSB最初報(bào)道的器件是以脈沖模式激勵(lì)的大模場(chǎng)增益導(dǎo)引激光器，閾值電流密度為7.5kA/cm2。Rohm宣稱采用折射率導(dǎo)引脊形激光器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)工作模式，激光器的最大輸出功率為10mW，閾值電流密度為 4.0kA/cm2。兩個(gè)研究小組都采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）方法來(lái)生長(zhǎng)制作器件所需的材料，他們使用的自支撐m晶面氮化鎵襯底均來(lái)自Mitsubishi化學(xué)公司。 b`18y cVME
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無(wú)AlGaN覆蓋的結(jié)構(gòu) #sA E Ik/
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2007年3月，UCSB報(bào)道了另一項(xiàng)重要突破，即無(wú)含鋁波導(dǎo)覆蓋層的無(wú)極性氮化鎵激光二極管器件。[5]無(wú)極性氮化鎵中沒(méi)有與極化相關(guān)的效應(yīng)，所以InGaN量子阱的允許厚度變得較大（大于8nm），使激光二極管的輻射效率不變。這種較厚的InGaN量子阱可在激光器中形成足夠強(qiáng)的橫向光場(chǎng)限制，省去c面結(jié)構(gòu)器件所需的、并會(huì)引入其他問(wèn)題的含鋁波導(dǎo)覆蓋層。這種無(wú)AlGaN覆蓋的器件僅能在無(wú)極性材料上實(shí)現(xiàn)，它可以使用與生長(zhǎng)、制作氮化鎵基發(fā)光二極管類似的工藝來(lái)生長(zhǎng)制作，這從根本上為制作氮化鎵激光二極管提供了更為簡(jiǎn)化的工藝途徑。這種器件中唯一的含鋁層是10nm厚的AlGaN電子阻擋層。 pA1Tod
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為了比較新型無(wú)AlGaN覆蓋層設(shè)計(jì)與其他傳統(tǒng)的氮化鎵激光二極管，可以生長(zhǎng)帶有和不帶有AlGaN覆蓋層的無(wú)極性氮化鎵，并制成大模場(chǎng)激光二極管。除了AlGaN覆蓋層的差別外，這些激光二極管的基本結(jié)構(gòu)是一樣的。兩種器件都包含5組采用8nm厚的氮化鎵作隔離層的8nm厚的InGaN量子阱。對(duì)這些器件的光電流電壓（LIV）特性進(jìn)行了比較。第一種器件具有與c面氮化鎵激光二極管相似的結(jié)構(gòu)，在有源區(qū)兩側(cè)包圍著AlGaN/GaN超晶格。這種結(jié)構(gòu)工作時(shí)的閾值電壓為11.7V，閾值電流密度為7.2kA/cm2。 0dXZd2oK@
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第二種器件最大的不同在于其不包括AlGaN覆蓋層。這使得閾值電壓減小到7.6V，閾值電流密度減小到5.6kA/cm2。無(wú)AlGaN覆蓋層的益處非常明顯，新型設(shè)計(jì)展現(xiàn)了更低的工作電壓和工作電流。分析證明，對(duì)這種無(wú)AlGaN覆蓋層器件的性能進(jìn)行優(yōu)化，要比傳統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。省去較厚的AlGaN覆蓋層，使采用簡(jiǎn)便、可重復(fù)的生長(zhǎng)和制作技術(shù)實(shí)現(xiàn)的器件具有高度一致性。 83)2c a
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最后，改變另一種無(wú)AlGaN覆蓋層結(jié)構(gòu)中鎂的摻雜濃度，該器件包含3組13nm厚的InGaN量子阱，其閾值電壓為6.7V，閾值電流密度為3.7kA/cm2。這種大模場(chǎng)器件包含裸露的刻蝕面。采用聚焦離子束可以獲得更加光滑、更加陡直的表面，這種大模場(chǎng)激光器的閾值電流密度可以減小到3.0kA/cm2以下，這表明m面激光器具有實(shí)現(xiàn)理想鏡面反射的潛力。m面材料上可得到沿a向和c向的解理面，這將為實(shí)現(xiàn)光滑而垂直的腔鏡提供一個(gè)最佳的長(zhǎng)效解決方案，目前Rohm和UCSB正在研發(fā)這種技術(shù)。 )jCAfdnCs
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