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                中科院成功研制新型氮化鎵半導體激光▂器

                星之球█科技 來源:半導體商城2020-11-27 我要評論(0 )   

                III族氮化物半導體是繼第一代Si、Ge元素▼半導體和第二代GaAs、InP化合物半導體之後的第三代半導體,通常又被稱為寬禁帶半導體。其為直接帶隙材』料,禁帶寬▲度在0.7 eV(InN...

                III族氮化物半導體是繼第一代Si、Ge元素半導體比其他警察先行赶到和第二代GaAs、InP化合物半導體之後的第三代半導體,通常又被稱為寬禁帶半導體。其為直接帶隙材料,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;其還具相信我能有些意外有發光效率高、熱導率大、化學穩定性好等優點,可用於制作半導體激光器。


                基於III族氮化物的半導體激光器在激光顯示、激光照明、激光通信、材料加工和激光ξ 醫療等領域具有重要的應用,因此得到了國內外產業界知名企業和全←球頂尖科研機構的廣泛關註。


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                自1996年日本日亞公司研制了國際首支GaN基激光器以來,GaN基激光拿不住了棒子器性能得到了巨大提升,單顆芯片連續輸出功率已超過7W,然而其電光轉換效率仍然較低。針對上述問題,中科院蘇州納米▽所孫錢團隊從半導體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——翻轉脊形波導激省略了吃早餐光器。


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                ■(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


                該結︻構的關鍵是將脊形波導從高電阻率的p側轉移到低電阻∮率的n側,可大幅降低器件的串聯電阻和熱阻,顯著降低工作電壓ぷ和結溫,從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矽基CMOS實現更好的兼容。相關結構申請了國家發明專利並已授權(ZL 201710022586.5);還通過PCT(PCT/CN2017/116518)進入了美╳國、日本、德國,其中美國專利已授權(US 10840419)。


                基於上述研究背景,中科院蘇州納米所孫錢研究團隊在前期研究基礎上,設計了基於非對稱波導的翻轉脊形波▲導激光器結構,有效降低了內部∮光損耗;研究了矽基GaN翻轉脊形波導√激光器中的應力調控與缺陷控制技術,生長了高質量的激光器材料;開發了室溫低时候比接觸電阻率的氮面n-GaN非合金歐姆接觸技術;聯合Nano-X開發了基於幹法刻蝕的激光器腔面制備技術。

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                ■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)激光器腔面的不过他掃描電子顯微鏡(SEM)圖


                基◤於上述工作,孫錢團隊實現了矽基GaN翻轉脊形波導激光器的室溫電註入連續激射。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1.2Ω和4.15V,比常規結構激光器低48%和1.41V;翻轉脊形波╱導激光器的工作結溫和熱中年男人阻分別為48.5oC和18.2K/W,比常規結構激光器低25oC和8K/W。


                仿真結果表明,采用更高熱導率的焊々料和熱沈,翻轉脊形波╱導激光器的工作結溫和熱阻可進一步降低至34.7oC和8.7K/W。綜上,GaN基翻轉脊形波導激光器在串聯電阻■和熱阻方面優勢巨大,可大幅提升III族氮化物半導體激光器的電光轉換效率等器件性能和可靠性。


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                ■矽基GaN翻轉脊形波導激光器(脊形尺寸:10×800 μm2)的(a)不同註入電流下的電致發光光譜,(b)電致發光光◥譜峰值波長與半高寬隨註入電流的變化曲線』,(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)為題發表在ACS Photonics 2020, 7, 2636,並→被半導體行業權威雜誌Semiconductor Today報道。


                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美≡鑫,通訊作者為孫錢研究員。該工作得到了國家重點研發計劃課題、國家自然科學基金面上項目、中國科學院先導專項課題话就必须执行和中國科學院前沿科學重點研究項目等資助。

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