氮化鎵（GaN）藍光激光二極管（LD）在高密度數(shù)據(jù)存儲、激光顯示、照明與量子技術(shù)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。但目前，其輸出功率與GaAs基LD仍有差距，進一步提升功率密度與可靠性對于降低成本至關(guān)重要。在GaN材料體系中，外延晶體質(zhì)量是決定LD性能的關(guān)鍵因素，晶體中的位錯和非輻射復(fù)合中心會嚴重影響器件的效率和可靠性。此外，高功率LD面臨的另一個挑戰(zhàn)是腔面處的災(zāi)變性光學(xué)損傷（COD），腔面介質(zhì)膜材料與GaN晶面之間的界面質(zhì)量是影響COD閾值的關(guān)鍵因素。

近日，清華大學(xué)羅毅院士課題組與安徽格恩半導(dǎo)體有限公司合作，通過深入研究GaN同質(zhì)外延過程中的位錯控制、InGan/GaN多量子阱的應(yīng)力調(diào)控以及腔面鍍膜技術(shù)，制備了高效的GaN藍光激光二極管。他們在該工作中利用了氫化物氣相外延（HVPE），結(jié)合多次掩膜技術(shù)和3D-2D交替生長技術(shù)，將GaN襯底的位錯密度降低了60%。通過集成InGaN/GaN超晶格（SL）波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，進一步減輕了量子阱有源區(qū)的應(yīng)力，使光致發(fā)光（PL）強度提升了約60%。

此外，該團隊還采用電子回旋共振（ECR）技術(shù)提升了腔面鍍膜質(zhì)量，顯著降低了高反（HR）和抗反（AR）膜表面的粗糙度，改善了大電流注入下的COD問題。最終，該研究實現(xiàn)了波長447 nm的脈沖激光發(fā)射，最大輸出功率達到15 W，電光轉(zhuǎn)化效率（WPE）為38%。這些成果為研制國產(chǎn)高性能GaN激光器、探索GaN大功率激光器的新應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。該文章以題為“Gallium nitride blue laser diodes with pulsed current operation exceeding 15W in optical output power”發(fā)表在Journal of Semiconductors上。

圖1. GaN單晶生長路徑示意圖。

圖2. （a）LD的功率-電流-電壓（PIV）以及WPE特性；（b）LD的光譜，插圖是GaN激光器在發(fā)光時的圖像。

來源：中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所“半導(dǎo)體學(xué)報”微信公眾號