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)。

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(pán)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。

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)。

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切停娮雍涂昭ǖ牟ê瘮?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。

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。

為了解決這些問(wèn)題，科研人員一直在開(kāi)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]

不易實(shí)現(xiàn)低缺陷密度襯底已成為開(kāi)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(xiàn)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(kāi)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(xiàn)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。

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(chēng)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。

無(wú)AlGaN覆蓋的結(jié)構(gòu)

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(lèi)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。

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。

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。

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)。

最近，UCSB的研究小組通過(guò)采用折射率導(dǎo)引脊形激光器設(shè)計(jì)，展示了連續(xù)工作的無(wú)AlGaN覆蓋層的氮化鎵激光二極管。這種結(jié)構(gòu)采用與LED相似的生長(zhǎng)方式，包含裸露的刻蝕鏡面，不包括熱沉。這種器件以5.4kA/cm2的閾值電流密度和5.4V的閾值電壓工作，激射波長(zhǎng)為413.3nm，脊形截面的尺寸為1.9μm×800μm，特征溫度（T0）為86K。讓這些激光二極管在幾乎恒定的175mA電流驅(qū)動(dòng)下以連續(xù)方式工作超過(guò)15個(gè)小時(shí)，在覆蓋光學(xué)表面和封裝后，其工作時(shí)間將更長(zhǎng)。

盡管器件連續(xù)工作的事實(shí)部分證明了無(wú)AlGaN覆蓋層設(shè)計(jì)的潛力，但這些器件離優(yōu)化還很遙遠(yuǎn)。比如，連續(xù)工作的脊形激光器的閾值電流密度為5.4kA/cm2，這還沒(méi)有達(dá)到研究人員設(shè)計(jì)的工作于3.0kA/cm2的大模場(chǎng)面積激光二極管的特性。目前，研究人員正致力于改進(jìn)脊形激光器設(shè)計(jì)與制作技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)使脊形激光器的閾值電流密度接近其他大模場(chǎng)器件。另一個(gè)需要立即解決的問(wèn)題是降低這類(lèi)器件的特征溫度（T0）。本文中顯示的結(jié)果要比Rohm報(bào)道的數(shù)值小得多，這似乎暗示了AlGaN電子阻擋層中鋁的存在可能引起潛在的問(wèn)題。優(yōu)化AlGaN電子阻擋層正是當(dāng)前的一個(gè)主要任務(wù)。

在無(wú)極性氮化鎵材料上制作的光電子器件克服了多個(gè)傳統(tǒng)c面結(jié)構(gòu)的局限性。無(wú)極性材料中沒(méi)有極化電場(chǎng)的影響，這將有助于實(shí)現(xiàn)更加有效的器件和更大的設(shè)計(jì)靈活性。無(wú)極性氮化鎵上獨(dú)特的新型器件設(shè)計(jì)，例如無(wú)AlGaN覆蓋層結(jié)構(gòu)，將有望提高氮化鎵激光二極管的生產(chǎn)能力和可靠性。襯底質(zhì)量的進(jìn)一步改善和器件優(yōu)化，將幫助無(wú)極性發(fā)光器件實(shí)現(xiàn)更好的性能。

參考文獻(xiàn)
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