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)有藍光二極管技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)。
自1996年藍紫波段的氮化鎵半導(dǎo)體激光器首次成功運轉(zhuǎn)以來，十年間，人們已經(jīng)在該領(lǐng)域取得了相當顯著的成績。外延生長技術(shù)的進步、低缺陷襯底材料和成熟的器件設(shè)計，已經(jīng)使具有商業(yè)化價值的高性能激光器成為現(xiàn)實。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。
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極性晶面制作氮化鎵激光二極管，從而避免極化電場的影響。無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，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，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。對于電注入激光二極管而言，外部注入的載流子必須經(jīng)過這些電場區(qū)域，并且在獲得有效增益前先要填平傾斜的能帶。這個過程相當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)，因為量子阱厚度較大時極化干擾非常強。這一要求給c面氮化鎵激光器帶來了光學(xué)設(shè)計上的難題。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，用于實現(xiàn)所需的橫向光場限制。然而，較厚的含鋁層通常加工起來很困難，會出現(xiàn)破裂、工作電壓更高、良品率更低、電抗穩(wěn)定性變差等問題。
為了解決這些問題，科研人員一直在開發(fā)基于氮化鎵無極性面的器件結(jié)構(gòu)。與c面激光二極管相比，無極性面激光二極管制作在纖鋅礦晶格的側(cè)面上，也就是常說的m面。這樣的器件不受極化電場的影響，而c面器件則深受極化電場的影響。m面氮化鎵上生長的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)分離的問題，而這在c面結(jié)構(gòu)中是非常典型的。此外，由于沒有極化電場的影響，也就不需要有額外的載流子來保證有效的光學(xué)增益。實際上，理論分析預(yù)計這些結(jié)構(gòu)將具有更高的光增益。[2]
不易實現(xiàn)低缺陷密度襯底已成為開發(fā)基于無極性氮化鎵的發(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)外延生長無極性氮化鎵。但是，這種薄膜材料具有高密度線位錯和錯層等材料缺陷，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)機械表面處理方法進行加工。最終得到的襯底具有小于5×106cm-2的線位錯密度，由此使高效的無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的兩個研究小組分別報道了制作第一支無極性氮化鎵激光二極管的信息。[3],[4] UCSB最初報道的器件是以脈沖模式激勵的大模場增益導(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。兩個研究小組都采用金屬有機物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）方法來生長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自Mitsubishi化學(xué)公司。
無AlGaN覆蓋的結(jié)構(gòu)
2007年3月，UCSB報道了另一項重要突破，即無含鋁波導(dǎo)覆蓋層的無極性氮化鎵激光二極管器件。[5]無極性氮化鎵中沒有與極化相關(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的橫向光場限制，省去c面結(jié)構(gòu)器件所需的、并會引入其他問題的含鋁波導(dǎo)覆蓋層。這種無AlGaN覆蓋的器件僅能在無極性材料上實現(xiàn)，它可以使用與生長、制作氮化鎵基發(fā)光二極管類似的工藝來生長制作，這從根本上為制作氮化鎵激光二極管提供了更為簡化的工藝途徑。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AlGaN覆蓋層設(shè)計與其他傳統(tǒng)的氮化鎵激光二極管，可以生長帶有和不帶有AlGaN覆蓋層的無極性氮化鎵，并制成大模場激光二極管。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。對這些器件的光電流電壓（LIV）特性進行了比較。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AlGaN覆蓋層的益處非常明顯，新型設(shè)計展現(xiàn)了更低的工作電壓和工作電流。分析證明，對這種無AlGaN覆蓋層器件的性能進行優(yōu)化，要比傳統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)更加簡單。省去較厚的AlGaN覆蓋層，使采用簡便、可重復(fù)的生長和制作技術(shù)實現(xiàn)的器件具有高度一致性。
最后，改變另一種無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，這將為實現(xiàn)光滑而垂直的腔鏡提供一個最佳的長效解決方案，目前Rohm和UCSB正在研發(fā)這種技術(shù)。
最近，UCSB的研究小組通過采用折射率導(dǎo)引脊形激光器設(shè)計，展示了連續(xù)工作的無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)動下以連續(xù)方式工作超過15個小時，在覆蓋光學(xué)表面和封裝后，其工作時間將更長。
盡管器件連續(xù)工作的事實部分證明了無AlGaN覆蓋層設(shè)計的潛力，但這些器件離優(yōu)化還很遙遠。比如，連續(xù)工作的脊形激光器的閾值電流密度為5.4kA/cm2，這還沒有達到研究人員設(shè)計的工作于3.0kA/cm2的大模場面積激光二極管的特性。目前，研究人員正致力于改進脊形激光器設(shè)計與制作技術(shù)，以實現(xiàn)使脊形激光器的閾值電流密度接近其他大模場器件。另一個需要立即解決的問題是降低這類器件的特征溫度（T0）。本文中顯示的結(jié)果要比Rohm報道的數(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題。優(yōu)化AlGaN電子阻擋層正是當前的一個主要任務(wù)。
在無極性氮化鎵材料上制作的光電子器件克服了多個傳統(tǒng)c面結(jié)構(gòu)的局限性。無極性材料中沒有極化電場的影響，這將有助于實現(xiàn)更加有效的器件和更大的設(shè)計靈活性。無極性氮化鎵上獨特的新型器件設(shè)計，例如無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)量的進一步改善和器件優(yōu)化，將幫助無極性發(fā)光器件實現(xiàn)更好的性能。
參考文獻
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
