原創(chuàng) 長光所Light中心 中國光學(xué)

編者按

近日，南京郵電大學(xué)的朱剛毅副教授在《發(fā)光學(xué)報(bào)》發(fā)表了題為"Floating enhanced GaN Micro Wheel LEDs for 3dB communication"的論文。該工作采用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝在硅襯底上制備了氮化鎵（GaN）基車輪形發(fā)光器件。采用各向同性濕法刻蝕工藝將器件懸空，研究了懸空對(duì)器件光強(qiáng)、半高寬、波長漂移、3 dB帶寬等性能的影響。由于減小了光損耗，在懸空結(jié)構(gòu)中腔效應(yīng)更加明顯，器件的電致發(fā)光和通信性能得到了提升。該研究對(duì)電驅(qū)動(dòng)光源的制備和可見光通信具有重要意義。為使廣大讀者了解該課題組近年來在這一領(lǐng)域開展的相關(guān)工作，《發(fā)光學(xué)報(bào)》編輯部特邀請論文作者撰寫了本篇報(bào)道。

1. 導(dǎo)讀

大范圍、低成本硅基光電集成電路制造技術(shù)在突破通信和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中數(shù)據(jù)傳輸速度和帶寬極限方面具有巨大潛力。硅材料的間接帶隙屬性和較窄（1.12 eV）的禁帶寬度限制了硅器件的發(fā)光波長和發(fā)光效率。作為廣受業(yè)界關(guān)注的第三代半導(dǎo)體，GaN基材料已廣泛應(yīng)用于高速高性能光通信領(lǐng)域。GaN器件與硅基光電器件的集成技術(shù)造就了可控片上光源的未來，其發(fā)光二極管(LEDs)和激光二極管(LDs)均獲得了巨大的商業(yè)成功。但是受硅基GaN異質(zhì)外延生長過程中晶格失配等問題的影響，硅基GaN發(fā)光器件存在發(fā)光效率低、寄生電容大等問題，限制了高質(zhì)量發(fā)光器件的研發(fā)和相關(guān)的光通信應(yīng)用。減少器件的界面損耗，釋放異質(zhì)外延造成的應(yīng)力，提升器件發(fā)光效率，一直是發(fā)光二極管領(lǐng)域研究者們努力的方向。

2. 研究背景

GaN基發(fā)光二極管是目前廣泛應(yīng)用的光源，如何使用簡便的方法、低成本的材料獲得高亮度紫外發(fā)光器件一直是研究者們關(guān)注的熱點(diǎn)。從器件結(jié)構(gòu)上考慮，傳統(tǒng)的平面結(jié)構(gòu)不利于光輸出，引入微腔，構(gòu)建帶有光場調(diào)控能力的發(fā)光二極管成為提升器件性能的有效手段。垂直結(jié)構(gòu)的F-P腔制備工藝簡單，是早期研究的主要結(jié)構(gòu)。近年來，具有低損耗、高光場限域能力、高調(diào)制速率的微盤和微環(huán)形發(fā)光器件逐漸占據(jù)主流。本課題組長期從事GaN回音壁模式器件的發(fā)光和激光特性研究。2018年，本課題組研究了GaN微盤中的激光，利用懸空技術(shù)減少Si襯底對(duì)GaN微盤的光學(xué)損耗，實(shí)現(xiàn)了單模激光輸出(G.Y. Zhu, Opt. Lett. , 43, 2018, 647-650) 。并通過在微盤上附加倒角的形式，控制激光的輻射方向(G.Y. Zhu, Appl. Phys. Lett. , 111, 2017, 202103-202107)。從制備方法角度考慮，相較于直接生長的天然結(jié)構(gòu)，利用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝中的光刻、電子束蒸鍍、反應(yīng)離子干法刻蝕和化學(xué)濕法刻蝕等方法制備的器件具有大范圍的統(tǒng)一度和更大程度的可控性。2019年蘇州納米所的孫錢課題組利用該技術(shù)，制備了一系列的激光和發(fā)光二極管 ( J. Wang, Photonics. Res. , 7, 2019,32-35)。

圖1 車輪形懸空GaN微盤發(fā)光二極管

本課題組的前期工作表明，借助標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝完全可以在商業(yè)硅基GaN外延片上制備懸空微盤發(fā)光二極管，并覆蓋鈣鈦礦材料構(gòu)建了雙波段發(fā)光器件(G.Y. Zhu, Europhys. Lett. , 128 (2019) 58002)。從材料角度考慮，相較于同質(zhì)外延片，硅基GaN外延片可以極大降低GaN發(fā)光器件的成本，但是由于Si和GaN之間的晶格失配和熱膨脹系數(shù)差異、內(nèi)應(yīng)力帶來的極化、表面裂痕以及界面的光損耗等問題，硅基GaN構(gòu)成的發(fā)光器件很難實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的電致發(fā)光。發(fā)光中心和發(fā)光強(qiáng)度控制是硅基GaN發(fā)光二極管中的重要研究方向。

3. 創(chuàng)新研究

3.1制備懸空GaN微腔發(fā)光二極管

本課題組研究表明，引入微腔并將其懸空構(gòu)建車輪形微腔LED可以有效改善器件性能，提升硅基GaN發(fā)光二極管的發(fā)光特性，改善器件的光通信性能。如圖1，利用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝，結(jié)合光刻、反應(yīng)離子刻蝕和蒸鍍，可以大范圍制備出規(guī)則的車輪型GaN微盤發(fā)光二極管陣列，單個(gè)器件為車輪形。利用稀硝酸和氫氟酸的混合溶液濕法刻蝕后，可令器件懸空。器件的發(fā)光性能表征如圖2所示，懸空前后的器件都呈現(xiàn)出發(fā)光峰值在450 nm左右的藍(lán)光LED特性，器件的發(fā)光強(qiáng)度隨驅(qū)動(dòng)電流的增加而增加。對(duì)于未懸空器件，光譜半高寬為 15-17 nm，該數(shù)值小于傳統(tǒng)的平面二極管結(jié)構(gòu)。懸空后器件的半高寬進(jìn)一步減少，發(fā)光強(qiáng)度明顯增加，并出現(xiàn)光譜紅移的現(xiàn)象。值得注意的是，兩種結(jié)構(gòu)中都觀測到了量子限域斯塔克效應(yīng)，具體表現(xiàn)為光譜隨著驅(qū)動(dòng)電流的增加而藍(lán)移的現(xiàn)象。研究結(jié)果顯示懸空器件能有效抑制量子限域斯塔克效應(yīng)，歸因于懸空導(dǎo)致的應(yīng)力釋放。該操作對(duì)獲得穩(wěn)定的LED光源意義重大。

圖2 懸空前后器件的形貌和電致發(fā)光特性

3.2 懸空器件對(duì)光通信性能的提升

獲得穩(wěn)定光通信的前提是具有穩(wěn)定的光源，后面的研究中測試了懸空前后器件的3dB帶寬和電容特性。懸空微輪具有更大的3dB帶寬和更好的通信特性。從圖3可以看出，在9 ~ 13 V電壓下，微輪的信號(hào)幅值隨頻率的增加而迅速衰減。其中，在9 V時(shí)信號(hào)衰減最快，在16 MHz頻率時(shí)振幅衰減20 dB。結(jié)果表明微輪的通信特性并不是特別理想，不適合在寬頻帶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。將器件懸空后，當(dāng)頻率在14 MHZ以內(nèi)時(shí)，懸空微輪的幅值衰減很小。隨著頻率的增加，幅值衰減速度大大加快。由此可見，懸空器件在14 MHz以下具有良好的通信性能。進(jìn)一步的3dB分析顯示，懸空器件在16 V時(shí)可達(dá)15 MHz的最大3dB帶寬。進(jìn)一步對(duì)器件的電容特性進(jìn)行研究分析。從負(fù)偏置到較小正偏置，兩個(gè)微輪器件的電容都隨著電壓增加而慢慢增大。當(dāng)電壓達(dá)到0.2 V時(shí)，原始微輪器件的電容迅速下降到負(fù)值。當(dāng)電壓達(dá)到1.5 V時(shí)，懸浮微輪器件的電容也迅速下降到負(fù)值，且下降幅度較大。圖3(c)中的放大圖中可以看出，懸空器件電容更小。懸空器件的電容特性優(yōu)化是產(chǎn)生通信性能提升的主要原因，也可以解釋懸空后寄生電容的減少。這項(xiàng)工作說明了對(duì)器件進(jìn)行懸空處理的重要性，對(duì)于提高光學(xué)微腔的光學(xué)增益實(shí)現(xiàn)受激發(fā)射是必要的。

圖3 懸空前后器件的3dB帶寬測試結(jié)果

3.3 微腔激光器嘗試

在懸空車輪型發(fā)光二極管的基礎(chǔ)上以及工藝的優(yōu)化，后期的研究中制備出懸空微盤器件，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了放大自發(fā)輻射。如圖4所示，單個(gè)器件為圓型，采用環(huán)型Au電極結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)器件電驅(qū)動(dòng)。電驅(qū)動(dòng)下可以觀測到中心波長在410 nm的準(zhǔn)激光模式，單峰半高寬為2.3 nm。該結(jié)構(gòu)的成功制備有望推進(jìn)下一步GaN微腔激光器的發(fā)展，最終制備出小尺寸片上激光光源。

圖4 懸空點(diǎn)驅(qū)動(dòng)GaN級(jí)微腔激光器器件光譜和光鏡圖

4. 應(yīng)用與展望

總之，懸空GaN微腔發(fā)光二極管能夠有效解決Si基GaN發(fā)光器件中的應(yīng)力釋放和光學(xué)損耗等問題，從而提升器件發(fā)光性能。同時(shí)，器件的通信性能也能夠得到提升，利于其在通信和探測領(lǐng)域的應(yīng)用。值得一提的是將該工藝應(yīng)用于微激光器設(shè)計(jì)，在圓盤型結(jié)構(gòu)中可以獲得窄線寬的準(zhǔn)激光器。然而，目前的微腔激光器研究中依然存在一些問題有待解決：（一）如何獲得高質(zhì)量的硅基GaN量子阱外延片（高載流子濃度和高遷移率）；（二）如何在刻蝕過程中和后續(xù)工藝中提高微腔的側(cè)壁光滑度、陡直性，降低光學(xué)損耗；（三）如何設(shè)計(jì)電極，使器件的發(fā)光區(qū)與微腔區(qū)重合，提高光學(xué)增益；（四）如何將設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)將微腔中的光最大限度的耦合出來，使其能與其他光電器件耦合。這些都將是我們下一步研究需要考慮解決的核心問題。

文章信息

ZHU Gangyi, QIU Guoqing, QIN Feifei, et al. Floating GaN Micro Wheel Light Emitting Diodes[J]. Chinese Journal of Luminescence, 2020, 41(9):1146-1152. DOI：10.37188/fgxb20204109.1146

論文地址

http://cjl.lightpublishing.cn/thesisDetails?columnId=3558680

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原標(biāo)題：《朱剛毅：懸空車輪形氮化鎵發(fā)光二極管》

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