苏州纳米所孙钱团队研制出一种新型的氮化镓半导体激光器

III族氮化物半导体是继第一代Si、Ge元素半导体和第二代GaAs、InP化合物半导体之后的第三代半导体，通常又被称为宽禁带半导体。其为直接带隙材料，禁带宽度在0.7 eV (InN)至6.2 eV (AlN)之间连续可调，发光波长覆盖了近红外、可见光到深紫外等波段；其还具有发光效率高、热导率大、化学稳定性好等优点，可用于制作半导体激光器。基于III族氮化物的半导体激光器在激光显示、激光照明、激光通信、材料加工和激光医疗等领域具有重要的应用(图1)，因此得到了国内外产业界知名企业和全球顶尖科研机构的广泛关注。

图1 GaN基激光器的应用场景

  自1996年日本日亚公司研制了国际首支GaN基激光器以来，GaN基激光器性能得到了巨大提升，单颗芯片连续输出功率已超过7瓦，然而其电光转换效率仍然较低(<50%)，远小于GaAs基激光器的电光转换效率(≈80%)。究其主要原因是GaN基激光器的串联电阻较大、热阻较高，导致工作电压和工作结温较高，最终严重影响了器件性能和可靠性。

  针对上述问题，中科院苏州纳米所孙钱团队从半导体掺杂和载流子输运理论出发，有效利用III族氮化物材料中施主激活效率比受主高、电子迁移率比空穴大的特点，提出了一种新型GaN基激光器结构：翻转脊形波导激光器(图2)，该结构的关键是将脊形波导从高电阻率的p侧转移到低电阻率的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，翻转脊形波导激光器还可与硅基CMOS实现更好的兼容。相关结构申请了国家发明专利并已授权(ZL 201710022586.5)；还通过PCT(PCT/CN2017/116518)进入了美国、日本、德国，其中美国专利已授权(US 10840419)。

图2. (a) GaN基常规脊形波导激光器和(b)翻转脊形波导激光器结构示意图

  基于上述研究背景，中科院苏州纳米所孙钱研究团队在前期研究基础上，(1)设计了基于非对称波导的翻转脊形波导激光器结构，有效降低了内部光损耗；(2)研究了硅基GaN翻转脊形波导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)，如图3所示；(3)开发了室温低比接触电阻率的氮面n-GaN非合金欧姆接触技术(Solid State Electronics 2020, 171, 107863)；(4)联合Nano-X开发了基于干法刻蚀的激光器腔面制备技术(图3)。

图3. 硅基GaN翻转脊形波导激光器的(a)扫描透射电子显微镜(STEM)图，(b)有源区的STEM图，(c)激光器腔面的扫描电子显微镜(SEM)图

  基于上述工作，孙钱团队实现了硅基GaN翻转脊形波导激光器的室温电注入连续激射(图4)。在阈值电流(350 mA)处，翻转脊形波导激光器的微分电阻和工作电压分别为1.2欧和4.15 V，比常规结构激光器低48%和1.41 V；翻转脊形波导激光器的工作结温和热阻分别为48.5 ℃和18.2 K/W，比常规结构激光器低25 ℃和8 K/W。仿真结果表明采用更高热导率的焊料和热沉，翻转脊形波导激光器的工作结温和热阻可进一步降低至34.7 ℃和8.7 K/W。综上，GaN基翻转脊形波导激光器在串联电阻和热阻方面优势巨大，可大幅提升III族氮化物半导体激光器的电光转换效率等器件性能和可靠性。

图4. 硅基GaN翻转脊形波导激光器(脊形尺寸：10×800 μm2)的(a)不同注入电流下的电致发光光谱，(b)电致发光光谱峰值波长与半高宽随注入电流的变化曲线，(c) 0.8倍和(d) 1.2倍阈值电流下的远场光斑，(e)输出功率-电流曲线

  该研究成果以InGaN-based lasers with an inverted ridge waveguide heterogeneously integrated on Si(100)为题发表在ACS Photonics 2020, 7, 2636，并被半导体行业权威杂志Semiconductor Today报道。论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员冯美鑫，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、中国科学院先导专项课题和中国科学院前沿科学重点研究项目等资助。