台风烟花逼近上海

扫一扫关注微信二维码 暴雨救援感人瞬间
nba选秀 科研进展 苏州纳米所孙钱团队研制出(chu)一种新(xin)...
科(ke)研进展(zhan)

苏州纳米所孙钱团队研制出一种新型的氮化镓半导体激光器

发布(bu)日期(qi):2019-11-20 浏览次数: 【关闭】

III族(zu)(zu)氮化(hua)物(wu)半(ban)(ban)(ban)导(dao)体(ti)是继(ji)第一代Si、Ge元素半(ban)(ban)(ban)导(dao)体(ti)和第二代GaAs、InP化(hua)合(he)物(wu)半(ban)(ban)(ban)导(dao)体(ti)之后的(de)(de)第三代半(ban)(ban)(ban)导(dao)体(ti),通(tong)常又被称为(wei)宽禁带(dai)半(ban)(ban)(ban)导(dao)体(ti)。其为(wei)直接带(dai)隙材料,禁带(dai)宽度在0.7 eV (InN)至6.2 eV (AlN)之间连续可调(diao),发光(guang)(guang)波长覆(fu)盖(gai)了近红(hong)外(wai)、可见光(guang)(guang)到深紫外(wai)等波段;其还具(ju)有(you)发光(guang)(guang)效率高(gao)、热导(dao)率大、化(hua)学稳定(ding)性好等优点,可用于制作半(ban)(ban)(ban)导(dao)体(ti)激光(guang)(guang)器。基于III族(zu)(zu)氮化(hua)物(wu)的(de)(de)半(ban)(ban)(ban)导(dao)体(ti)激光(guang)(guang)器在激光(guang)(guang)显示、激光(guang)(guang)照明(ming)、激光(guang)(guang)通(tong)信、材料加工和激光(guang)(guang)医疗(liao)等领域(yu)具(ju)有(you)重要的(de)(de)应用(图1),因此得(de)到了国内外(wai)产业界知名企业和全球(qiu)顶(ding)尖科研机构(gou)的(de)(de)广泛关注(zhu)。

图1 GaN基激(ji)光器的应用场景


  自1996年(nian)日本日亚公司研制(zhi)了国际(ji)首支(zhi)GaN基(ji)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)以来,GaN基(ji)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)性能得到了巨大提升,单颗芯(xin)片连续(xu)输出功(gong)率已超过7瓦,然而其(qi)电(dian)(dian)光(guang)(guang)(guang)(guang)转换效率仍然较(jiao)低(di)(<50%),远(yuan)小于GaAs基(ji)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)的(de)电(dian)(dian)光(guang)(guang)(guang)(guang)转换效率(≈80%)。究其(qi)主要原因是GaN基(ji)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)的(de)串联电(dian)(dian)阻(zu)较(jiao)大、热阻(zu)较(jiao)高,导致工(gong)作电(dian)(dian)压和工(gong)作结温较(jiao)高,最(zui)终严重影响了器(qi)(qi)件性能和可(ke)靠性。

  针对上(shang)述(shu)问题(ti),中科院苏州纳(na)米所孙钱团队从(cong)半导体掺杂(za)和(he)载流子输(shu)运理论出发(fa),有效(xiao)利(li)用(yong)III族(zu)氮化物材料中施主(zhu)激活效(xiao)率(lv)(lv)(lv)比受主(zhu)高、电子迁移率(lv)(lv)(lv)比空(kong)穴大的(de)(de)(de)特(te)点(dian),提出了(le)(le)一(yi)种新型(xing)GaN基激光器(qi)(qi)结构:翻转脊形波导激光器(qi)(qi)(图2),该结构的(de)(de)(de)关键是(shi)将脊形波导从(cong)高电阻(zu)率(lv)(lv)(lv)的(de)(de)(de)p侧转移到低电阻(zu)率(lv)(lv)(lv)的(de)(de)(de)n侧,可大幅降低器(qi)(qi)件的(de)(de)(de)串联电阻(zu)和(he)热阻(zu),显著(zhu)降低工作电压和(he)结温(wen),从(cong)而有效(xiao)提升器(qi)(qi)件性(xing)能(neng)和(he)可靠性(xing)。另(ling)外,翻转脊形波导激光器(qi)(qi)还(hai)可与硅基CMOS实现(xian)更好的(de)(de)(de)兼(jian)容。相(xiang)关结构申请(qing)了(le)(le)国家发(fa)明专利(li)并(bing)已授(shou)权(quan)(ZL 201710022586.5);还(hai)通过PCT(PCT/CN2017/116518)进入了(le)(le)美国、日本(ben)、德国,其(qi)中美国专利(li)已授(shou)权(quan)(US 10840419)。

图(tu)2. (a) GaN基常规脊(ji)形(xing)波(bo)导激光(guang)器(qi)和(b)翻(fan)转(zhuan)脊(ji)形(xing)波(bo)导激光(guang)器(qi)结构(gou)示意图(tu)


  基(ji)(ji)于(yu)(yu)上述研究(jiu)背景,中(zhong)(zhong)科院苏(su)州(zhou)纳米所孙(sun)钱研究(jiu)团(tuan)队在前期研究(jiu)基(ji)(ji)础上,(1)设计(ji)了基(ji)(ji)于(yu)(yu)非对(dui)称波导的翻(fan)转脊(ji)形波导激(ji)光(guang)(guang)器(qi)结构,有效降低(di)了内部光(guang)(guang)损耗;(2)研究(jiu)了硅基(ji)(ji)GaN翻(fan)转脊(ji)形波导激(ji)光(guang)(guang)器(qi)中(zhong)(zhong)的应力(li)调控与缺陷控制技术,生长了高质量的激(ji)光(guang)(guang)器(qi)材料(Optics Express 2019, 27, 25943; Optics Express 2020, 28, 12201; Journal of Physics D: Applied Physics 2019, 52, 425102),如图(tu)3所示;(3)开(kai)(kai)发了室温(wen)低(di)比接触(chu)电阻率(lv)的氮面(mian)n-GaN非合金欧姆接触(chu)技术(Solid State Electronics 2020, 171, 107863);(4)联合Nano-X开(kai)(kai)发了基(ji)(ji)于(yu)(yu)干法刻蚀的激(ji)光(guang)(guang)器(qi)腔面(mian)制备(bei)技术(图(tu)3)。

图3. 硅基GaN翻(fan)转脊形波(bo)导激(ji)光器的(de)(a)扫(sao)描透射电子显微(wei)镜(jing)(jing)(STEM)图,(b)有源区的(de)STEM图,(c)激(ji)光器腔面的(de)扫(sao)描电子显微(wei)镜(jing)(jing)(SEM)图

  基于上述工(gong)作(zuo),孙(sun)钱团队(dui)实现了硅基GaN翻转(zhuan)脊(ji)(ji)形波导(dao)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)的室温(wen)电(dian)注入(ru)连续激(ji)(ji)(ji)射(图4)。在阈值电(dian)流(350 mA)处,翻转(zhuan)脊(ji)(ji)形波导(dao)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)的微(wei)分电(dian)阻(zu)和(he)工(gong)作(zuo)电(dian)压分别为1.2欧和(he)4.15 V,比常规结(jie)构激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)低48%和(he)1.41 V;翻转(zhuan)脊(ji)(ji)形波导(dao)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)的工(gong)作(zuo)结(jie)温(wen)和(he)热(re)(re)(re)阻(zu)分别为48.5 oC和(he)18.2 K/W,比常规结(jie)构激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)低25 oC和(he)8 K/W。仿真结(jie)果表(biao)明采用更高热(re)(re)(re)导(dao)率的焊料和(he)热(re)(re)(re)沉,翻转(zhuan)脊(ji)(ji)形波导(dao)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)的工(gong)作(zuo)结(jie)温(wen)和(he)热(re)(re)(re)阻(zu)可进一步降低至34.7 oC和(he)8.7 K/W。综上,GaN基翻转(zhuan)脊(ji)(ji)形波导(dao)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)在串(chuan)联电(dian)阻(zu)和(he)热(re)(re)(re)阻(zu)方面优势(shi)巨大,可大幅提升III族氮化物半导(dao)体激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)的电(dian)光(guang)(guang)(guang)转(zhuan)换效率等(deng)器(qi)(qi)件性(xing)能和(he)可靠(kao)性(xing)。

图4. 硅(gui)基(ji)GaN翻转脊(ji)形(xing)波(bo)导激(ji)光(guang)(guang)器(脊(ji)形(xing)尺寸:10×800 μm2)的(de)(a)不同注入(ru)电(dian)(dian)流(liu)(liu)下的(de)电(dian)(dian)致发(fa)光(guang)(guang)光(guang)(guang)谱,(b)电(dian)(dian)致发(fa)光(guang)(guang)光(guang)(guang)谱峰值波(bo)长与半高(gao)宽随注入(ru)电(dian)(dian)流(liu)(liu)的(de)变化曲线(xian),(c) 0.8倍和(he)(d) 1.2倍阈值电(dian)(dian)流(liu)(liu)下的(de)远场光(guang)(guang)斑,(e)输出功率(lv)-电(dian)(dian)流(liu)(liu)曲线(xian)

  该研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)成果以(yi)InGaN-based lasers with an inverted ridge waveguide heterogeneously integrated on Si(100)为题发表(biao)在ACS Photonics 2020, 7, 2636,并被(bei)半导(dao)体行业权威杂志(zhi)Semiconductor Today报(bao)道。论(lun)文(wen)第一作者是中(zhong)科(ke)院(yuan)苏(su)州(zhou)纳米所(suo)博士研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)生周瑞(rui)和副(fu)研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)员冯美鑫,通讯作者为孙钱研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)员。该工作得到了国家重点(dian)研(yan)(yan)(yan)发计(ji)划课题、国家自然科(ke)学(xue)基金面上项目、中(zhong)国科(ke)学(xue)院(yuan)先导(dao)专项课题和中(zhong)国科(ke)学(xue)院(yuan)前沿(yan)科(ke)学(xue)重点(dian)研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)项目等资助。

扫一扫关注我们
xml地图 | sitemap地图
特斯拉
分享到:QQ空间新浪微博腾讯微博人人网微信
地球绝美画面 11省份有大到暴雨 欢乐斗地主 夜宴 喜羊羊与灰太狼 万古神帝 只是太爱你 我和我的家乡 流金岁月 爱情公寓 国乒奥运混双摘银 赛尔号 2018世界杯 做家务的男人2 全球失业危机加剧郑州学校战时状态 密室大逃脱 天龙八部 海底小纵队 惠州学院 坦克世界 赛尔号 逃离塔科夫 叛逆者 爸爸的好儿子 贰 诸葛亮 魔兽世界 李沁 萌探探探案 专家解读诡异的云 帝霸 奥特曼 猪猪侠 男篮直播 蔡徐坤 刘德华 贰 梦幻西游 哥斯拉大战金刚 德云斗笑社 热爱就一起 解放军报 盗墓笔记 王思聪 吴亦凡 恰好是少年 兰博基尼 雅阁 我要我们在一起 今天也想见到你 桂纶镁 五菱宏光 王源 盗御马 happier 寂静之地2 金像奖 | 下一页
Baidu
sogou
百度 搜狗 360