混合生长有望实现性能更高的激光二极管
2020/9/12 17:00:25 材料来源：CSC化合物半导体 原创
通过远程等离子体CVD加入隧道结，将实现更高功率，更高效率的GaN激光器。
作者：Josh Brown, Brad Siskavich, Ian Mann; BLUGLASS
高亮度GaN基激光器的发展打开了令人兴奋的全新应用的大门。这类激光器已开始用于工业焊接，生物技术流式细胞仪，显示器，以及普通和汽车照明。预期未来几年内在这些领域的销售将大幅增长。
为了将巨大商业的成功从希望变为现实，这些激光器的光学性能和能量转换必须加以改善。需要努力的方向包括：扩展其光谱范围，增加其功率，并提高其效率和亮度。
位于澳大利亚Silverwater的BluGlass有限公司，我们拥有一项应对前述这许多挑战的新颖技术——低温、无氨的GaN沉积。它是一种基于远程等离子体CVD的补充生长方法，与传统的仅使用MOCVD的工艺相比，它为激光二极管制造商提供了性能和成本优势。为了确保该技术具有商业影响力， 2019年10月，我们启动了激光二极管业务，利用我们独特的远程等离子体CVD生长平台来制造高亮度的GaN激光器。
在激光二极管的生长过程中，远程等离子体CVD提供了一种“生长即激活”（active-as-grown）的埋入式p-GaN技术。它可以实现高性能隧道结的生产，而无需进行生长后的退火来激活镁受主。
最初，我们开发了用于LED的“生长即激活”隧道结，但现在它们已应用到了独特的激光二极管设计中。我们希望，这项技术将有助于弥合这两种光电器件在转换效率上的巨大差距——在最先进的GaN基激光二极管中，转换效率仅为40%左右，相比之下， GaN基LED的转换效率则达到将近90%。
p掺杂的问题
激光二极管转换效率低的原因很多。相当一部分涉及到GaN和AlGaN中p型镁掺杂层中镁受主的高激活能。由于约170meV的激活能，通常只有1%的镁原子对于自由空穴浓度有贡献。因此，为了制造可行的器件，必须提高p型层中的镁掺杂水平——它们通常比n型层中的硅掺杂高100倍。
在外延层中加入这么多的镁并不是最理想的。这会导致空穴迁移率低，电阻率高和光损耗高——而这些会最终降低激光二极管的转换效率。光学损耗发生在p侧，在p-AlGaN包覆层中最为严重。为了确保将光学模式限制在有源区和波导层内，该包覆层必须具有相对较低的折射率。然而，这仍然不能防止部分光学模式与p掺杂的AlGaN层重叠。由于该层中的镁含量很高，因此吸收系数非常高，通常超过100cm-1，而这在此类激光器的总光学损耗中占了很大的比例。
p型电阻损耗来自p-AlGaN包覆层中串联电阻和高的p侧接触电阻的叠加。当以远高于激射阈值的工作电流密度驱动该器件时，这些加在一起最多可以占到功耗的50%。这些损失通常表现为焦耳热的形式。
神奇的隧道结
我们能够利用一种技术来解决GaN基激光二极管的光学和电阻损耗，该技术可避免与GaN的p掺杂相关的问题。我们利用以前的成功经验，使用远程等离子体CVD，通过该方法我们生长了级联LED的生长即激活的隧道结，有效接解决了LED效率下降的问题。现在，我们正在将该技术应用于激光二极管。在这些器件中，我们将p型金属欧姆接触替换为低电阻率的n型欧姆接触，实现了GaN基隧道结，从而提供了n型和p型区域之间的转换。这种设计消除了困扰着传统激光二极管的高p侧接触电阻问题。
采用这种方法，p-AlGaN包覆层中的光学和电阻损耗仍然存在。为了解决这个问题，隧道结必须位于结构内部更深的位置——需要将其移至p-AlGaN包覆层之内甚至之下。这样做可以用电阻低得多的n-AlGaN代替高电阻的p-AlGaN包覆层。由于较低的硅掺杂要求，这会反过来降低光吸收系数。
在设计隧道结和选择其位置时需要格外小心。该层的位置必须是让加入该层产生的额外光损耗，能够使用n型层替代那些p型层所产生的显著光损耗降低来弥补。另外，至关重要的是，要确保隧道结中的电阻足够低，能够通过串联和接触电阻的降低来抵消。只有满足这两个标准，隧道结激光二极管才能为提高GaN基激光器的转换效率提供可行的解决方案。
我们已经研究了隧道结的结构和位置是如何影响激光二极管中的光损耗。为此，我们模拟了各种激光二极管结构（有关设计和所使用的吸收系数的详细信息，请参见图1（a））。这包括折射率分布和光学模式分布的计算。对于这些模拟，n型层和p型层的吸收系数的值基于基准的掺杂水平。结果表明，总光损耗的很大一部分（超过80%）与器件的p侧相关（请参见图1（b））。电子阻挡层，p型波导和p包覆层的损耗很高。
图1.（a）（上部图）无隧道结的标准激光二极管的结构， （b）（下部图）归一化的光学模式和折射率分布。
有了这个基准以后，我们就对包含隧道结的激光二极管重复了上述模拟（有关设计的详细信息，请参见图2（a））。它具有相同的基本结构，但具有：p型波导顶部的隧道结；不采用p型AlGaN包覆层和重掺杂的p型接触层，而是采用n型AlGaN包覆层和重掺杂的n型接触层。
其中一个模拟我们考虑了总的光损耗作为隧道结的重掺杂n型层中层厚度和硅掺杂水平的函数（见图2（b））。不出所料，更大的损耗来自更厚、更重掺杂的隧道结。此图中包括的一条白色轮廓线，它对应于无隧道结的标准激光二极管的总的光损耗。如果有隧道结的器件想要成功，那么它们的总的光损耗必须低于此值。
图2.（a）（上部图）隧道结激光二极管结构，（b）（下部图）总的光损耗作为隧道结n++层中厚度和硅掺杂水平的函数。
该模拟提供了隧道结重掺杂n型层中，掺杂上限的估计，以及可以容忍的厚度，以确保此类激光器的光损耗能够净减少。在该图中，白色虚线提供了对重掺n型层中厚度和掺杂值下限的估计，以实现合理的隧穿行为。
工作器件
为了将这些模拟进行测试，我们在蓝宝石衬底上制造了激光二极管。使用MOCVD，我们生产的激光器的结构类似于图1所示的结构，如图3所示。
图3. 蓝宝石结构上的标准MOCVD生长的激光二极管。
通过与新墨西哥大学的研究人员合作，我们已经能够将我们的外延晶圆加工成脊形波导激光二极管。脉冲测量揭示了该器件的输出、外加电压和驱动电流之间的关系（见图4）。这些激光器发出397nm的光，从腔面产生高达155mW的输出功率。通过进一步优化p-AlGaN包覆层，可以改善运行这些器件所需的电压。
图4. 在蓝宝石衬底上MOCVD生长的激光二极管的光输出-电流-电压的测量结果。
我们下一步要做的就是在这些激光二极管中集成通过远程等离子CVD生长的隧道结，并观察其是否通过减少光损耗和器件电阻从而提高了器件的性能。我们热切期望了解，如果可以在重掺杂n型层中以足够低的掺杂和/或厚度来生长隧道结，从而与我们的参考文献相比，是否能够大幅度净减少光损耗。我们还想发现，增加隧道结是否只会导致驱动电压的小幅增加。
为了优化激光二极管的隧道结，我们首先通过远程等离子体CVD在商业来源的蓝色LED上生长它们。对于电流扩展层，我们使用了顶部的 n掺杂GaN层，而不是铟锡氧化物ITO（有关该器件的示意图，请参见图5（a））。对具有不同形式隧道结的工艺后和封装后器件组合进行的测量表明，总体而言，掺杂水平较高的隧道结在工作期间产生的压降较�。ㄇ氩渭�6（a））。请注意，所有器件的光输出都是相似的。
图5.（a）混合MOCVD/远程等离子体CVD的隧道结结构，（b）用于优化激光二极管应用的隧道结n++参数表。表中最后一列的ΔVf是指隧道结LED相比使用ITO的参考LED，其正向电压Vf的差。
我们已经模拟了具有所有这些形式隧道结的激光器的总的光损耗（见图6（c））。令人鼓舞的是，具有隧道结且驱动电压增幅最小的激光器的总的光损耗为47.9cm-1——刚好在代表无隧道结的标准激光二极管的总的光损耗的轮廓线之下。这是一个至关重要的发现，因为它揭示出具有采用远程等离子CVD生长的隧道结，并且经过优化以使驱动电压的增幅最低的激光二极管，可以实现总的光损耗的净减少。由于用n型包覆层和n型接触层代替了p型包覆层和p型接触层，这些器件的串联电阻和接触电阻降低了，这为改进器件铺平了道路。
图6.（a）和采用ITO的参考LED比较，隧道结n++掺杂为2.4×1020cm-3和不同n++厚度的隧道结LED的ΔVf，（b）n++厚度为13nm和不同掺杂水平的隧道结LED的ΔVf。（c）采用与所测试LED上相同隧道结结构的隧道结激光二极管的模拟光损耗的位置。
基于这一发现以及我们对无隧道结且通过MOCVD形成的激光二极管的激射行为的演示，我们最近通过结合MOCVD和远程等离子体CVD生长了具有隧道结的激光器。这些完全在我们工厂内生长的器件，采用了c平面自支撑GaN衬底。在其上，我们先通过MOCVD将外延层生长到重p型隧道结层，然后再通过远程等离子CVD添加其余的层（有关该器件的示意图，请参见图7（a））。
生长过程中远程等离子体CVD反应室的内部，显示出活性氮的气氛。
新墨西哥大学的合作者已经将我们的结构加工成了脊形波导激光器。这些器件的测试尚处于初期阶段。当以脉冲模式驱动激光器时，我们确实获得了电流-电压特性的结果。需要进一步开发以完全表征这些器件的光输出，但是初步结果令人鼓舞，激光器在高达20.5kAcm-2的条件下，仍表现出正常的二极管性能而无击穿现象（见图7b）。
图7.（a）隧道结激光二极管结构，（b）工艺后激光二极管的光输出-电流-电压数据。
解锁机遇
我们开发隧道结激光二极管技术的工作将继续进行，目标是释放跨多个波长和功率水平的新型GaN激光二极管设计的潜力，从而使此类器件可以满足多种应用。我们有一个良好的开端，因为我们的初步结果证明，通过远程等离子CVD隧道结实现的无p-AlGaN激光二极管结构，有很好的前景来通过降低光损耗以及降低串联和接触电阻，从而提供改进的器件性能。
请注意，不单单我们在研究利用激光二极管中隧道结的优势。NUSOD的创始人兼总裁Joachim Piprek计算得出，通过增加隧道结，转换效率可以从30%提高到60%。但是，他也报告说，由于与隧道结中高掺杂层相关的额外光学损耗，潜在的改善受到了限制。
如前所示，我们可以克服此限制。通过适当地控制隧道结的n++层中的掺杂和厚度，我们可以生产出低损耗的隧道结激光器结构，与标准激光器相比，该激光器结构的总光学损耗可以实现净减少。我们有望减少焦耳热损耗和光学损耗，从而提高GaN激光二极管的转换效率。这是我们的目标，因此我们将继续为现有客户提供定制解决方案来改善激光二极管的性能，并开始与新的激光二极管开发商合作，以便市场将来能够受益于通过远程等离子体CVD所生长隧道结的高亮度器件的可用性。
扩展阅读
S. Barik et al. “Remote plasma chemical vapour deposition of group III-nitride tunnel junctions for LED applications,” Light. Devices, Mater. Appl., M. Strassburg, J. K. Kim, and M. R. Krames, Eds., 44, SPIE (2019).
Piprek, J., “What is to blame for the low efficiency of GaN-based lasers?”, Compound Semiconductor, July 2017, pp. 35–38
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