硅襯底GaN基激光器.pdf

1、自1995年問世以來，GaN基激光器在二十多年里得到了快速的發(fā)展，其應(yīng)用范圍遍及信息存儲(chǔ)、照明、激光顯示、可見光通信以及生物醫(yī)療等領(lǐng)域。然而，目前幾乎所有的GaN激光器均是利用昂貴的自支撐GaN襯底進(jìn)行制備，嚴(yán)重制約其廣泛應(yīng)用。硅襯底具有成本低、熱導(dǎo)率高以及晶圓尺寸大等優(yōu)點(diǎn)，如果能在硅襯底上制備 GaN基激光器，將有效降低其生產(chǎn)成本，并且為 GaN基光電子器件與硅基微電子以及光電子器件的有機(jī)集成提供了可能。但是GaN與Si(111)襯底

2、之間巨大的晶格失配和熱膨脹系數(shù)失配會(huì)導(dǎo)致GaN薄膜位錯(cuò)密度高并且容易產(chǎn)生裂紋，使得硅襯底GaN基激光器難以制備。到目前為止，僅有報(bào)道光泵浦條件下，實(shí)現(xiàn)硅襯底 GaN基多量子阱發(fā)光結(jié)構(gòu)的激射。
　　本論文圍繞實(shí)現(xiàn)硅襯底GaN激光器室溫電注入條件下激射為主要研究目標(biāo)，針對(duì)硅襯底 GaN基激光器研制過程中的關(guān)鍵科學(xué)及技術(shù)問題進(jìn)行了深入的研究。從材料的外延生長、表征到器件工藝制備，性能測(cè)試分析等，對(duì)如何實(shí)現(xiàn)硅襯底GaN基激光器室溫電注入激

3、射進(jìn)行研究探索，取得了以下成果：
　?。?）利用AlN成核層和兩層AlGaN應(yīng)力控制層，成功將硅襯底上生長的GaN外延薄膜的位錯(cuò)密度降低到108 cm-2量級(jí)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了厚度約為6μm的GaN基激光器結(jié)構(gòu)的鏡面無裂紋生長。同時(shí)，研究了AlN成核層和兩層AlGaN應(yīng)力控制層在降低位錯(cuò)密度中的作用，準(zhǔn)確計(jì)算了兩層應(yīng)力控制層中Al組分分別為35％和17%，并且對(duì)緩沖層中各層的材料的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析。
　?。?）基于以上得到的硅襯

4、底GaN模板厚層，我們優(yōu)化了n型GaN厚層以及n型AlGaN光限制層的厚度，成功生長了表面無裂紋的GaN基紫光激光器結(jié)構(gòu)外延片，同時(shí)開發(fā)了硅襯底 GaN基激光器的器件工藝，特別是對(duì)非常關(guān)鍵的解理工藝進(jìn)行了深入實(shí)驗(yàn)和分析，并成功制備了硅襯底 GaN基紫光激光器器件，實(shí)現(xiàn)了世界上首次脈沖電注入條件下激射，閾值電流270 mA，對(duì)應(yīng)閾值電流密度8.4 kA/cm2，激射波長為414 nm，在500 mA脈沖電流注入條件下，輸出的峰值功率達(dá)到3

5、5 mW。
　?。?）我們基于以上得到硅襯底 GaN基紫光激光器，通過模擬計(jì)算進(jìn)一步優(yōu)化了硅襯底GaN基紫光激光器的外延結(jié)構(gòu)，主要包括采用InGaN材料做量子阱勢(shì)壘，采用GaN材料做上下光波導(dǎo)層，將其限制因子提升了28.6%；同時(shí)，優(yōu)化了p型歐姆接觸金屬的退火溫度，使其比接觸電阻率降低到10-4Ω·cm-2量級(jí)，有效降低了器件的接觸電阻和工作電壓；然后，通過激光器器件加工工藝，成功實(shí)現(xiàn)了世界上首個(gè)能夠在室溫連續(xù)電注入條件下激射的硅

6、襯底GaN基紫光激光器器件，閾值電流為150 mA，對(duì)應(yīng)閾值電流密度為4.7 kA/cm2，激射波長為413 nm。在200 mA連續(xù)電流注入下，可以得到3 mW的光功率輸出。
　?。?）我們通過對(duì)硅襯底 GaN基藍(lán)光激光器量子阱生長條件的優(yōu)化，包括降低 p型 AlGaN/GaN超晶格上限制層生長溫度以及勢(shì)壘結(jié)構(gòu)生長時(shí)通入氫氣等方法，有效抑制了硅襯底GaN基藍(lán)光激光器中量子阱的熱退化；同時(shí)我們使用InGaN材料作為波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，增加了