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朱刚毅led灯:悬空车轮形氮化镓发光二极管

文章来源:未知时间:2020-10-13 点击:

  大范畴、低本钱硅基光电集成电路制作手艺在打破通讯和计较机范畴中数据传输速率和带宽极限方面具有宏大潜力。硅质料的直接带隙属性和较窄(1.12 eV)的禁带宽度限定了硅器件的发光波长和发光服从。作为广受业界存眷的第三代半导体,GaN基质料已普遍使用于高速高机能光通讯范畴。GaN器件与硅基光电器件的集成手艺培养了可控片上光源的将来,其发光二极管(LEDs)和激光二极管(LDs)均得到了宏大的贸易胜利。可是受硅基GaN异质内涵发展过程当中晶格失配等成绩的影响,硅基GaN发光器件存在发光服从低、寄生电容大等成绩,限定了高质量发光器件的研发和相干的光通讯使用。削减器件的界面消耗,开释异质内涵酿成的应力,提拔器件发光服从,不断是发光二极管范畴研讨者们勤奋的标的目的。

  GaN基发光二极管是今朝普遍使用的光源,怎样利用烦琐的办法、低本钱的质料得到高亮度紫外发光器件不断是研讨者们存眷的热门。从器件构造上思索,传统的平面构造倒霉于光输出,引入微腔,构建带有光场调控才能的发光二极管成为提拔器件机能的有用手腕。垂直构造的F-P腔制备工艺简朴,是晚期研讨的次要构造。比年来,具有低消耗、高光场限域才能、高调制速度的微盘和微环形发光器件逐步占有支流。本课题组持久处置GaN覆信壁形式器件的发光和激光特征研讨。2018年,本课题组研讨了GaN微盘中的激光,操纵悬空手艺削减Si衬底对GaN微盘的光学消耗,完成了单模激光输出(G.Y. Zhu, Opt. Lett. , 43, 2018, 647-650) 。并经由过程在微盘上附加倒角的情势,掌握激光的辐射标的目的(G.Y. Zhu, Appl. Phys. Lett. , 111, 2017, 20)。从制备办法角度思索,相较于间接发展的自然构造,操纵尺度半导体工艺中的光刻、电子束蒸镀、反响离子干法刻蚀和化学湿法刻蚀等办法制备的器件具有大范畴的同一度和更大水平的可控性。2019年姑苏纳米所的孙钱课题组操纵该手艺,制备了一系列的激光和发光二极管 ( J. Wang, Photonics. Res. , 7, 2019,32-35)。

  本课题组的前期事情表白,借助尺度半导体工艺完整能够在贸易硅基GaN内涵片上制备悬空微盘发光二极管,并笼盖钙钛矿质料构建了双波段发光器件(G.Y. Zhu, Europhys. Lett. , 128 (2019) 58002)。从质料角度思索,相较于同质内涵片,硅基GaN内涵片能够极大低落GaN发光器件的本钱,可是因为Si和GaN之间的晶格失配和热收缩系数差别、内应力带来的极化、外表裂缝和界面的光消耗等成绩,硅基GaN组成的发光器件很难完成高质量的电致发光。发光中间和发光强度掌握是硅基GaN发光二极管中的主要研讨标的目的。

  本课题组研讨表白,引入微腔并将其悬空构建车轮形微腔LED能够有用改进器件机能,提拔硅基GaN发光二极管的发光特征,改进器件的光通讯机能。如图1,操纵尺度半导体工艺,分离光刻、反响离子刻蚀和蒸镀,能够大范畴制备出划定规矩的车轮型GaN微盘发光二极管阵列,单个器件为车轮形。操纵稀硝酸和氢氟酸的混淆溶液湿法刻蚀后,可令器件悬空。器件的发光机能表征如图2所示,悬绝后后的器件都显现动身光峰值在450 nm阁下的蓝光LED特征,器件的发光强度随驱动电流的增长而增长。关于未悬空器件,光谱半高宽为 15-17 nm,该数值小于传统的平面二极管构造。悬空后器件的半高宽进一步削减,发光强度较着增长,并呈现光谱红移的征象。值得留意的是,两种构造中都观察到了量子限域斯塔克效应,详细表示为光谱跟着驱动电流的增长而蓝移的征象。研讨成果显现悬空器件能有用抑止量子限域斯塔克效应,归因于悬空招致的应力开释。该操尴尬刁难得到不变的LED光源意义严重。

  得到不变光通讯的条件是具有不变的光源,前面的研讨中测试了悬绝后后器件的3dB带宽和电容特征。悬空微轮具有更大的3dB带宽和更好的通讯特征。从图3能够看出,在9 ~ 13 V电压下,微轮的旌旗灯号幅值随频次的增长而疾速衰减。此中,在9 V时旌旗灯号衰减最快,在16 MHz频次时振幅衰减20 dB。成果表白微轮的通讯特征并非出格幻想,分歧适在宽频带停止数据传输。将器件悬空后,当频次在14 MHZ之内时,悬空微轮的幅值衰减很小。跟着频次的增长,幅值衰减速率大大放慢。因而可知,悬空器件在14 MHz以下具有优良的通讯机能。进一步的3dB阐发显现,悬空器件在16 V时可达15 MHz的最大3dB带宽。进一步对器件的电容特征停止研讨阐发。从负偏置到较小正偏置,两个微轮器件的电容都跟着电压增长而渐渐增大。当电压到达0.2 V时,原始微轮器件的电容疾速降落到负值。当电压到达1.5 V时,悬浮微轮器件的电容也疾速降落到负值,且降落幅度较大。图3(c)中的放大图中能够看出,悬空器件电容更小。悬空器件的电容特征优化是发生通讯机能提拔的次要缘故原由,也能够注释悬空后寄生电容的削减。这项事情阐明了对器件停止悬空处置的主要性,关于进步光学微腔的光学增益完成受激起射是须要的。

  在悬空车轮型发光二极管的根底上和工艺的优化,前期的研讨中制备出悬空微盘器件,曾经发明了放大自觉辐射。如图4所示,单个器件为圆型,接纳环型Au电极构造完成器件电驱动。电驱动下能够观察到中间波长在410 nm的准激光形式,单峰半高宽为2.3 nm。该构造的胜利制备无望促进下一步GaN微腔激光器的开展,终极制备出小尺寸片上激光光源。

  总之,悬空GaN微腔发光二极管可以有用处理Si基GaN发光器件中的应力开释和光学消耗等成绩,从而提拔器件发光机能。同时,器件的通讯机能也可以获得提拔,利于其在通讯和探测范畴的使用。值得一提的是将该工艺使用于微激光器设想,在圆盘型构造中能够得到窄线宽的准激光器。但是,今朝的微腔激光器研讨中仍然存在一些成绩有待处理:(一)怎样得到高质量的硅基GaN量子阱内涵片(高载流子浓度和高迁徙率);(二)怎样在刻蚀过程当中和后续工艺中进步微腔的侧壁滑腻度、陡直性,低落光学消耗;(三)怎样设想电极,使器件的发光区与微腔区重合,进步光学增益;(四)怎样将设想构造将微腔中的光最大限度的耦合出来,使其能与其他光电器件耦合。这些都将是我们下一步研讨需求思索处理的中心成绩。

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