无极性氮化镓：新一代蓝光激光二极管材料

作者：Daniel Feezell    来源：《激光世界》

欢迎访问e展厅 展厅 1 激光器展厅 半导体激光器, 固体激光器, Er:YAG激光器, CO2激光器, 光纤激光器, ... 最新研究结果显示，m晶面氮化镓材料制作的半导体激光器有潜力克服现有蓝光二极管技术所面临的挑战。 自1996年蓝紫波段的氮化镓半导体激光器首次成功运转以来，十年间，人们已经在该领域取得了相当显著的成绩。外延生长技术的进步、低缺陷衬底材料和成熟的器件设计，已经使具有商业化价值的高性能激光器成为现实。这些产品已作为关键部件应用于下一代DVD播放系统中，比如蓝光光盘和HD-DVD。此外，这些激光器也非常适合用于投影显示、高精度印刷和光学传感等领域。 然而，传统的氮化镓激光器虽然取得了巨大成功，却受困于材料固有的限制，也就是外加电场的极化特性制约了激光器的光学效率。为了解决这一基础性问题，加州大学圣巴巴拉分校的研究小组一直在探索采用无极性晶面制作氮化镓激光二极管，从而避免极化电场的影响。无极性氮化镓激光二极管作为一种备选结构已得到迅速改进，它正像人们所期望的那样，正在替代基于极性c面的传统结构。 传统的氮化镓激光二极管制作在纤锌矿晶格的c平面上，因此存在异质结构自发的压电极化效应。[1] 这些极化效应产生干扰InGaN量子阱的电场，使阱区能带变为三角型，电子和空穴的波函数在空间上发生分离，导致辐射复合效率降低。对于电注入激光二极管而言，外部注入的载流子必须经过这些电场区域，并且在获得有效增益前先要填平倾斜的能带。这个过程相当于使激光器的阈值电流密度增大。 而且，c面结构通常要求采用小于4nm厚的薄层量子阱，以缓解与极化相关的效应，因为量子阱厚度较大时极化干扰非常强。这一要求给c面氮化镓激光器带来了光学设计上的难题。困难之一就是需要引入较厚的含铝的波导覆盖层，比如AlGaN/GaN超晶格，用于实现所需的横向光场限制。然而，较厚的含铝层通常加工起来很困难，会出现破裂、工作电压更高、良品率更低、电抗稳定性变差等问题。 为了解决这些问题，科研人员一直在开发基于氮化镓无极性面的器件结构。与c面激光二极管相比，无极性面激光二极管制作在纤锌矿晶格的侧面上，也就是常说的m面。这样的器件不受极化电场的影响，而c面器件则深受极化电场的影响。m面氮化镓上生长的InGaN量子阱的能带不发生变形，其矩形结构比传统的砷化镓和磷化铟上的量子阱保持得更好。这些量子阱中不存在电子和空穴波函数分离的问题，而这在c面结构中是非常典型的。此外，由于没有极化电场的影响，也就不需要有额外的载流子来保证有效的光学增益。实际上，理论分析预计这些结构将具有更高的光增益。[2] 不易实现低缺陷密度衬底已成为开发基于无极性氮化镓的发光二极管（LED）和激光二极管的一大障碍。最初，研究人员尝试在其他衬底材料上采用异质外延生长无极性氮化镓。但是，这种薄膜材料具有高密度线位错和错层等材料缺陷，制约了器件的光学性能。幸好，日本Mitsubishi化学公司最近开发出了一种低缺陷密度自支撑的m面氮化镓衬底。这种衬底采用c晶向的氢化物气相外延（VPE）生长获得，然后垂直切割获得m面。m晶面的表面再采用化学机械表面处理方法进行加工。最终得到的衬底具有小于5×106cm-2的线位错密度，由此使高效的无极性氮化镓激光二极管得以制造成功。 2007年2月，UCSB和日本Rohm的两个研究小组分别报道了制作第一支无极性氮化镓激光二极管的信息。[3],[4] UCSB最初报道的器件是以脉冲模式激励的大模场增益导引激光器，阈值电流密度为7.5kA/cm2。Rohm宣称采用折射率导引脊形激光器结构实现了连续工作模式，激光器的最大输出功率为10mW，阈值电流密度为 4.0kA/cm2。两个研究小组都采用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）方法来生长制作器件所需的材料，他们使用的自支撑m晶面氮化镓衬底均来自Mitsubishi化学公司。 无AlGaN覆盖的结构 2007年3月，UCSB报道了另一项重要突破，即无含铝波导覆盖层的无极性氮化镓激光二极管器件。[5]无极性氮化镓中没有与极化相关的效应，所以InGaN量子阱的允许厚度变得较大（大于8nm），使激光二极管的辐射效率不变。这种较厚的InGaN量子阱可在激光器中形成足够强的横向光场限制，省去c面结构器件所需的、并会引入其他问题的含铝波导覆盖层。这种无AlGaN覆盖的器件仅能在无极性材料上实现，它可以使用与生长、制作氮化镓基发光二极管类似的工艺来生长制作，这从根本上为制作氮化镓激光二极管提供了更为简化的工艺途径。这种器件中唯一的含铝层是10nm厚的AlGaN电子阻挡层。 为了比较新型无AlGaN覆盖层设计与其他传统的氮化镓激光二极管，可以生长带有和不带有AlGaN覆盖层的无极性氮化镓，并制成大模场激光二极管。除了AlGaN覆盖层的差别外，这些激光二极管的基本结构是一样的。两种器件都包含5组采用8nm厚的氮化镓作隔离层的8nm厚的InGaN量子阱。对这些器件的光电流电压（LIV）特性进行了比较。第一种器件具有与c面氮化镓激光二极管相似的结构，在有源区两侧包围着AlGaN/GaN超晶格。这种结构工作时的阈值电压为11.7V，阈值电流密度为7.2kA/cm2。 第二种器件最大的不同在于其不包括AlGaN覆盖层。这使得阈值电压减小到7.6V，阈值电流密度减小到5.6kA/cm2。无AlGaN覆盖层的益处非常明显，新型设计展现了更低的工作电压和工作电流。分析证明，对这种无AlGaN覆盖层器件的性能进行优化，要比传统器件结构更加简单。省去较厚的AlGaN覆盖层，使采用简便、可重复的生长和制作技术实现的器件具有高度一致性。 最后，改变另一种无AlGaN覆盖层结构中镁的掺杂浓度，该器件包含3组13nm厚的InGaN量子阱，其阈值电压为6.7V，阈值电流密度为3.7kA/cm2。这种大模场器件包含裸露的刻蚀面。采用聚焦离子束可以获得更加光滑、更加陡直的表面，这种大模场激光器的阈值电流密度可以减小到3.0kA/cm2以下，这表明m面激光器具有实现理想镜面反射的潜力。m面材料上可得到沿a向和c向的解理面，这将为实现光滑而垂直的腔镜提供一个最佳的长效解决方案，目前Rohm和UCSB正在研发这种技术。 最近，UCSB的研究小组通过采用折射率导引脊形激光器设计，展示了连续工作的无AlGaN覆盖层的氮化镓激光二极管。这种结构采用与LED相似的生长方式，包含裸露的刻蚀镜面，不包括热沉。这种器件以5.4kA/cm2的阈值电流密度和5.4V的阈值电压工作，激射波长为413.3nm，脊形截面的尺寸为1.9μm×800μm，特征温度（T0）为86K。让这些激光二极管在几乎恒定的175mA电流驱动下以连续方式工作超过15个小时，在覆盖光学表面和封装后，其工作时间将更长。 尽管器件连续工作的事实部分证明了无AlGaN覆盖层设计的潜力，但这些器件离优化还很遥远。比如，连续工作的脊形激光器的阈值电流密度为5.4kA/cm2，这还没有达到研究人员设计的工作于3.0kA/cm2的大模场面积激光二极管的特性。目前，研究人员正致力于改进脊形激光器设计与制作技术，以实现使脊形激光器的阈值电流密度接近其他大模场器件。另一个需要立即解决的问题是降低这类器件的特征温度（T0）。本文中显示的结果要比Rohm报道的数值小得多，这似乎暗示了AlGaN电子阻挡层中铝的存在可能引起潜在的问题。优化AlGaN电子阻挡层正是当前的一个主要任务。 在无极性氮化镓材料上制作的光电子器件克服了多个传统c面结构的局限性。无极性材料中没有极化电场的影响，这将有助于实现更加有效的器件和更大的设计灵活性。无极性氮化镓上独特的新型器件设计，例如无AlGaN覆盖层结构，将有望提高氮化镓激光二极管的生产能力和可靠性。衬底质量的进一步改善和器件优化，将帮助无极性发光器件实现更好的性能。 参考文献 1. S. Chichibu et al., Appl. Phys. Lett. 69, 4188 (1996). 2. S.H. Park et al., Jpn. J. Appl. Phys. 42, L170 (2003). 3. M. Schmidt et al., Jpn. J. Appl. Phys. 46, L190 (2007). 4. K. Okamoto et al., Jpn. J. Appl. Phys. 46, L187 (2007). 5. D. Feezell et al., Jpn. J. Appl. Phys. 46, L284 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (5/23/2008)