氢气清洗确保GaN VCSEL的高质量反射镜
2023/2/9 8:07:25 材料来源：化合物半导体
日本的一个合作组织声称在GaN VCSEL反射镜的生长方面取得了重大进展。这一成功可能有助于蓝色和绿色VCSEL的商业化，它们是紧凑轻便的移动显示器和具有可控照明的自适应前照灯的潜力器件。
来自名城大学（Meijo University）和国家先进产业科学技术研究所的研究人员通过氢气清洗生产了高质量的n型AlInN / GaN分布式布拉格反射器（DBR）。
这项工作建立在该团队之前在制造GaN VCSEL方面的成功基础上，包括生产出具有非导电和导电AlInN / GaN DBR的变体，其最大输出功率分别为4.4 mW和2.6 mW。添加掺杂物简化了器件设计，但形态退化，表面较粗糙，导致输出功率降低。
较粗糙的表面归因于DBR中较高的位错密度。在温度升高之前，通过在AlInN上添加厚度小于1 nm的GaN帽，可以避免未掺杂的DBR中的这些缺陷。对于掺杂的DBR，需要引入5 nm厚的AlGaInN成分梯度层，硅浓度为6 x 1019cm-3以中和负极化电荷——这必须在较低的温度下生长，导致高密度的穿透位错。
由于不可能使用更高的温度来降低穿透位错的密度，研究人员试图通过消除铟-铟键来抑制它们。
“铟原子非常不稳定，”来自名城大学的团队发言人Tetsuya Takeuchi说，“如果我们使用氢，就很有可能去除表面上的铟原子。”
Takeuchi及其同事开始了他们的试验，生产了6个具有10个周期的DBR样品，每个样品在不同的氢气流动条件下生长。反射镜每个周期的生长都始于42.5 nm AlInN层和0.3 nm GaN帽。在生长中断期间进行氢气清洗，然后添加5 nm厚的AlInGaN层和37.5 nm厚的GaN层。前三层的生长是在氮气下840℃进行的；而32.5 nm的GaN层是在氢气下1100 °C生长的。
氢气条件的变化来自施加31 slm的氢气流量，以及从 0.5 slm 到 4 slm 的变化氨流量。通过原子力显微镜（AFM）评估材料质量，发现在0.65slm的氨气流量下，达到1.3 x 105 cm-2的最小凹坑密度。
该团队利用这一条件生产了40对硅掺杂的DBR，以及未掺杂且没有氢气清洗的变体。
在未掺杂的DBR中未观察到凹坑，而掺杂和没有氢气清洗的变体的凹坑密度分别为1 x 107 cm-2和<106 cm-2。甚至有可能，有氢气清洗的样品没有凹坑。
对优质掺杂样品进行的额外测量显示，在399 nm处的峰值反射率为99.8%，垂直电阻为15 W。
这些有希望的结果提示这样了一个问题：是否值得追求具有两个n型DBR的GaN VCSELs的生长，以及一个提供从n型到p型传导转换的隧道结。然而，Takeuchi警告说，在高温下长时间生长——生长一个DBR需要12小时——可能会损坏有源区的量子阱。
该团队现在正在使用氢气清洗，生长和制造具有导电DBR的GaN基VCSEL。Takeuchi预计这些激光器将表现出更好的性能，因为它们具有更好的电流注入均匀性和更低的器件电阻。
在分布式布拉格反射器生长过程中，氢气的流动减少了凹坑和穿透位错。
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