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旭化成、名古屋大學、Crystal IS合作開發271.8nm波長的深紫外鋁氮化鎵鋁激光二極管

2019-12-20    

臨沂市優發金屬制品有限公司報道

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導語: 來自日本和美國的研究人員聲稱,迄今為止報道的電流注入激光二極管(LD)的最短波長。271.8nm的發射波長使其處于100-280nm的深紫外線(UV-C)范圍內。以前的UV激光二極管報告僅限于315-400nm UV-A范圍。

  來自日本和美國的研究人員聲稱,迄今為止報道的電流注入激光二極管(LD)的最短波長。271.8nm的發射波長使其處于100-280nm的深紫外線(UV-C)范圍內。以前的UV激光二極管報告僅限于315-400nm UV-A范圍。

  該設備由旭化成公司,日本名古屋大學和美國的Crystal IS合作開發,該設備使用低位錯密度的氮化鋁(AlN)襯底生長氮化鋁鎵(AlGaN)層。大多數報道的短波長激光二極管使用碳化硅,藍寶石或獨立式氮化鎵作為生長襯底。

  該團隊在p側使用了無意摻雜的分布式極化感應摻雜(DPD)包層,旨在降低內部損耗,提高空穴電導率和提高空穴注入率。就產生可移動空穴而言,通常的AlGaN鎂摻雜性能非常差。此外,使用離子化雜質會產生光和帶電載流子的散射中心,這會對性能產生不利影響。

  UV-C發射設備可能具有廣泛的應用范圍:論文中提到了生化傳桿粳小顆粒檢測,消毒,醫療和表面監測。這些非常短的波長能夠破壞生物化學物質,例如DNA,具有對細菌和病毒病原體進行消毒和水凈化的潛力。

  研究人員使用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)在直徑2英寸(0001)的AlN襯底上生長了激光二極管結構(圖1)。來自晶體IS的單晶襯底中的位錯密度在10 3 -10 4 / cm 2的范圍內。9nm發光單量子阱設計為發射270nm波長的UV-C光。


圖1:制造的UV-C激光二極管結構示意圖。

  0.32μm分布的極化摻雜p側包層由Al x Ga 1-x N組成,Al含量從100%到70%不等。漸變會影響電荷極化梯度,從而產生并傳導可移動空穴。p接觸區由進一步降級為純GaN的鎂摻雜AlGaN組成。器件的n側在接觸層和包層中均使用大于1x10 19 / cm 3的雜質濃度摻雜了硅。外延層與下面的AlN襯底偽變形應變。

  激光二極管器件是用4μm寬的脊形波導制造的。脊刻蝕暴露出其上沉積了釩基金屬的n接觸層。在n接觸金屬之前進行二氧化硅鈍化。p觸點以及其他布線和探針墊由鎳/金金屬組成。

  將制造的激光二極管沿

  發射的光偏振為橫向電(TE):雖然橫向磁(TM)組件在0.2A和0.5A之間具有恒定的11nm半峰全寬(FWHM),但TE值為6.6nm和0.41nm ,分別(圖2)。

  圖2:在(a)0.5A和(b)0.2A正向電流下具有TE和TM極化的邊緣發射光譜。(a)中的插圖顯示了在0.5A下具有最高波長分辨率的TE模式的光譜。研究人員將13.8V的“極低”閾值電壓歸因于DPD結構,該結構在p側提供了平坦的價帶分布,從而可以在沒有勢壘的情況下注入空穴。他們還推測,波導層p側的高Al含量材料會在導帶中形成電子阻擋勢壘。

  研究小組評論說:“考慮到梯度結構的松弛也會阻礙極化摻雜,整個結構的假晶生長,包括在單晶AlN襯底上的DPD,可使極化感應電荷最大化以實現高空穴電導率!

  在MOCVD生長過程中發現了一個問題:表面上凸出的六邊形金字塔形小丘,密度為6x10 3 / cm 2。小丘似乎在278nm波長附近貢獻了一個額外的發射峰。在包括這些小丘之一的設備炙粳無法實現激光發射。

  研究人員認為,基于透射電子顯微鏡分析,小丘起因于AlN基體中預先存在的螺紋位錯。螺紋位錯為載流子重組提供了非輻射途徑,并可能對電流的流向產生不利影響。

  為了發射激光,小丘還影響光學結構,將光散射出波導模式。研究小組總結說:“低位錯密度的高質量AlN基板似乎是開發UV-C LD的基礎!

編輯:嚴志祥

來源:行家說

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