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运用 MOCVD 工艺生长 GaN VCSEL

2020/2/5 17:10:35     

 

GaN VCSEL 现在可配有采用 MOCVD 工艺生长的隧道结

 

由于 GaN VCSEL 具有圆形发射束、小尺寸和高调制带宽等特性,因而使其成为一种适合可见光通信、光学传感器、显示器和原子钟的非常有前途的器件。

遗憾的是,此类器件如今的输出功率低得令人难以置信,而且其制造也是出了名的困难。但是对于后一个问题,来自美国加州大学圣芭芭拉分校 (UCSB) 的一支团队刚刚迈出了重要的一步。该小组宣称,将仅采用 MOCVD 工艺来生长纳入了隧道结的 GaN VCSEL 结构,此举先所有人一步。

UCSB 发言人 SeungGuen Lee 解释说:“由于有效的隧道结接触难以实现,因此基于 GaN 的大多数 VCSEL 都将 ITO 用于电流散布。”然而,ITO 具有高的光吸收损耗,因而导致阈值电流较高和光输出较低。

隧道结可以解决这个问题。时光回到 2015 年,该研究小组发布报告说运用此方法获得了成功。不过,他们采用的是分子束外延 (MBE) 晶体生长技术,Lee 称这种方法“在行业内是不适用的。”

在最近的工作中他们对此采取了修补措施,运用 MOCVD 工艺生长了一个 408 nm 光源,该光源支持一个隧道结,并能产生超过 300 μW 的最大输出功率。其阈值电压几乎为 8 V

Lee 承认,“隧道结接触的一个缺陷是需要额外的电压。”因此,对于在 LED 中使用这些隧道结是有争议的,因为它们以降低插接效率来换取光提取效率的提高。但是就 VCSEL 而言,决定是很明确的:“隧道结接触实现的改善远远超过了其需要额外电压的不足,而且,随着我们不断地推进优化,所需的额外电压将持续降低。”

为了开发一种工艺,用于激活采用 MOCVD 工艺生长的隧道结中的 p GaNLee 和同事们对基于 LED 的测试结构进行了实验。它们的制作采用了两个生长步骤:第一步是形成 LED 结构,以 p GaN 结束;第二步是添加 n GaN 以形成隧道结。比较不同的表面处理和激活条件后,发现:通过将表面暴露在氟氢酸中、然后采用原位加热激活 p GaN,获得了最佳的结果。

这支研究小组运用他们从实验获得的知识来制造 VCSEL。他们以生长主外延结构作为开始,然后利用台面蚀刻和铝离子注入形成电流孔径。接着,在蚀刻和沉积一个 17 周期分布式布拉格反射器(由 Ta2O5 SiO2 配对形成)之前制作隧道结。然后添加金属触点,再使用倒装式芯片焊接法将该结构键合至镀覆金属的 SiC 衬底,并通过蚀刻工艺去除 GaN 衬底。最后一步是添加 n 型触点和一个 13 周期分布式布拉格反射器(同样由 Ta2O5 SiO2 制成)。

生产此类 VCSEL 的成本是非常昂贵的,因为外延结构的生长是在 m 平面 GaN 衬底上进行的。Lee 说:“有人提议在倒装式芯片键合和衬底去除之后重用 GaN 衬底。”但是,之前需要做大量的工作,这道工序才能在业内使用。

 

采用 300 ns 脉冲和 0.3% 占空比对该研究团队的 GaN VCSEL 进行室温条件下的测量,发现:阈值电流密度为 10 kA cm-2,阈值电压为 7.8 V。在 12 V 时,该器件产生其 319 μW 的峰值输出功率。

 

目前,该团队正在开发利用掩埋式隧道结(而不是离子注入)来提供电流局限的设计方案。Lee 解释说:“铝离子注入使 GaN 吸收光,因而增加了内部损耗。”这项工作尚处其初期阶段,但是 Lee 说初步结果给人的感觉是非常有希望的。

 

 

由加州大学圣芭芭拉分校的研究团队制作的 GaN 倒装式芯片 VCSEL 具有两个介质分布式布拉格反射器和一个采用 MOCVD 工艺生长的隧道结触点。

  

DBR:分布式布拉格反射器

MQW:多量子阱

Al Ion Implant:铝离子注入

 

 

参考文献

S.G. Lee et al. Appl. Phys. Express 11 062703 (2018)


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