III族氮化物半導體(ti) 是繼第一代Si、Ge元素半導體(ti) 和第二代GaAs、InP化合物半導體(ti) 之後的第三代半導體(ti) ，通常又被稱為(wei) 寬禁帶半導體(ti) 。其為(wei) 直接帶隙材料，禁帶寬度在0.7 eV (InN)至6.2 eV (AlN)之間連續可調，發光波長覆蓋了近紅外、可見光到深紫外等波段;其還具有發光效率高、熱導率大、化學穩定性好等優(you) 點，可用於(yu) 製作半導體(ti) 激光器。基於(yu) III族氮化物的半導體(ti) 激光器在激光顯示、激光照明、激光通信、材料加工和激光醫療等領域具有重要的應用(圖1)，因此得到了國內(nei) 外產(chan) 業(ye) 界知名企業(ye) 和全球頂尖科研機構的廣泛關(guan) 注。

圖1. GaN基激光器的應用場景。

  自1996年日本日亞(ya) 公司研製了國際首支GaN基激光器以來，GaN基激光器性能得到了巨大提升，單顆芯片連續輸出功率已超過7瓦，然而其電光轉換效率仍然較低(<50%)，遠小於(yu) GaAs基激光器的電光轉換效率(≈80%)。究其主要原因是GaN基激光器的串聯電阻較大、熱阻較高，導致工作電壓和工作結溫較高，最終嚴(yan) 重影響了器件性能和可靠性。針對上述問題，中科院蘇州納米所孫錢團隊從(cong) 半導體(ti) 摻雜和載流子輸運理論出發，有效利用III族氮化物材料中施主激活效率比受主高、電子遷移率比空穴大的特點，提出了一種新型GaN基激光器結構：翻轉脊形波導激光器(圖2)，該結構的關(guan) 鍵是將脊形波導從(cong) 高電阻率的p側(ce) 轉移到低電阻率的n側(ce) ，可大幅降低器件的串聯電阻和熱阻，顯著降低工作電壓和結溫，從(cong) 而有效提升器件性能和可靠性。另外，翻轉脊形波導激光器還可與(yu) 矽基CMOS實現更好的兼容。相關(guan) 結構申請了國家發明專(zhuan) 利並已授權(ZL 201710022586.5);還通過PCT(PCT/CN2017/116518)進入了美國、日本、德國，其中美國專(zhuan) 利已授權(US 10840419)。

圖2. (a) GaN基常規脊形波導激光器和(b)翻轉脊形波導激光器結構示意圖。

  基於(yu) 上述研究背景，中科院蘇州納米所孫錢研究團隊在前期研究基礎上，(1)設計了基於(yu) 非對稱波導的翻轉脊形波導激光器結構，有效降低了內(nei) 部光損耗;(2)研究了矽基GaN翻轉脊形波導激光器中的應力調控與(yu) 缺陷控製技術，生長了高質量的激光器材料(Optics Express 2019, 27, 25943; Optics Express 2020, 28, 12201; Journal of Physics D: Applied Physics 2019, 52, 425102)，如圖3所示;(3)開發了室溫低比接觸電阻率的氮麵n-GaN非合金歐姆接觸技術(Solid State Electronics 2020, 171, 107863);(4)聯合Nano-X開發了基於(yu) 幹法刻蝕的激光器腔麵製備技術(圖3)。

  圖3. 矽基GaN翻轉脊形波導激光器的(a)掃描透射電子顯微鏡(STEM)圖，(b)有源區的STEM圖，(c)激光器腔麵的掃描電子顯微鏡(SEM)圖。

  基於(yu) 上述工作，孫錢團隊實現了矽基GaN翻轉脊形波導激光器的室溫電注入連續激射(圖4)。在閾值電流(350 mA)處，翻轉脊形波導激光器的微分電阻和工作電壓分別為(wei) 1.2 ?和4.15 V，比常規結構激光器低48%和1.41 V;翻轉脊形波導激光器的工作結溫和熱阻分別為(wei) 48.5 oC和18.2 K/W，比常規結構激光器低25 oC和8 K/W。仿真結果表明采用更高熱導率的焊料和熱沉，翻轉脊形波導激光器的工作結溫和熱阻可進一步降低至34.7 oC和8.7 K/W。綜上，GaN基翻轉脊形波導激光器在串聯電阻和熱阻方麵優(you) 勢巨大，可大幅提升III族氮化物半導體(ti) 激光器的電光轉換效率等器件性能和可靠性。

  圖4. 矽基GaN翻轉脊形波導激光器(脊形尺寸：10×800 μm2)的(a)不同注入電流下的電致發光光譜，(b)電致發光光譜峰值波長與(yu) 半高寬隨注入電流的變化曲線，(c) 0.8倍和(d) 1.2倍閾值電流下的遠場光斑，(e)輸出功率-電流曲線。

  該研究成果以InGaN-based lasers with an inverted ridge waveguide heterogeneously integrated on Si(100)為(wei) 題發表在ACS Photonics 2020, 7, 2636 (網址鏈接https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.0c01061)，並被半導體(ti) 行業(ye) 權威雜誌Semiconductor Today報道(網址鏈接https://www.semiconductor-today.com/news_items/2020/oct/sinano-151020.shtml)。論文第一作者是中科院蘇州納米所博士研究生周瑞和副研究員馮(feng) 美鑫，通訊作者為(wei) 孫錢研究員。該工作得到了國家重點研發計劃課題、國家自然科學基金麵上項目、中國科學院先導專(zhuan) 項課題和中國科學院前沿科學重點研究項目等資助。