С стремительным ростом больших данных, облачных вычислений и искусственного интеллекта глобальный трафик данных растёт экспоненциально, навязывая все большие требования к скорости передачи и пропускной способности. Кремниевая фотоника считается основной технологией для встроенных соединений следующего поколения благодаря широкой пропускной способности, высокой скорости и низкому энергопотреблению. Однако косвенная зонная зазор кремния затрудняет эффективное излучение света, что стимулирует поиск люминесцентных материалов, которые можно напрямую интегрировать на кремниевые платформы.
III-нитридные полупроводники (например, GaN, InGaN, AlGaN) имеют прямые и регулируемые зазоры, покрывающие ультрафиолетовые и инфракрасные длины волн, и уже продемонстрировали выдающиеся характеристики светодиодов и лазерных диодов (LD). В частности, лазерные диоды на основе GaN, выращиваемые на кремниевых подложках (GaN-on-Si LD), особенно излучающие около 405 нм (фиолетовый), являются весьма перспективными источниками света на чипе для кремниевой фотоники. Этот диапазон длин волн обеспечивает критически важные применения в связи с видимым светом, подводной связи, атомных часах, высокоплотных оптических данных и сенсории — делая фиолетовый LD ключевым инструментом для фотонной интеграции следующего поколения.
1. Узкие места производительности фиолетовых LD и оптимизация барьера суперрешётки
Несмотря на демонстрацию электрического лазерного управления при комнатной температуре в фиолетовых LD на основе GaN, производительность устройства остаётся ограниченной несколькими физическими факторами, представляющими особый интерес для академических исследователей:
Низкая эффективность инъекции в отверстия: Мобильность отверстий в слоях p-типа Mg, легированной Mg, значительно ниже, чем у электронов, а отверстия имеют большую эффективную массу, что приводит к неравномерному распределению носителей в активной области и ограничивает радиационную рекомбинацию.
Утечка электронов: При сильных инъекционных токах электроны легко преодолевают электроноблокирующий слой (EBL) и попадают в p-область, вызывая нерадиационную рекомбинацию и увеличение порога тока.
Поляризационное изгиб зон: сильные спонтанные и пьезоэлектрические эффекты поляризации в материалах на основе GaN создают встроенные электрические поля на границах квантовой ямы и барьера, наклоняя энергетические полосы и уменьшая перекрытие волновой функции электрона и дыры, что снижает световую эффективность.
Для решения этих проблем исследователи исследовали новые барьерные структуры, заменяющие традиционные барьеры GaN. Alahyarizadeh и др. (2022) численно сравнили три схемы: барьеры GaN, барьеры AlGaN и барьеры суперрешётки AlGaN/InGaN. Их ключевые выводы:
Барьер AlGaN повышает эффективный электронный барьер с ~400 мэВ до 569 мэВ, одновременно понижая эффективный барьер отверстия до 123 мэВ, усиливая инъекцию отверстия и удержание электронов — однако он не снижает значительный порог тока.
Барьер сверхрешётки AlGaN/InGaN эффективно подавляет внутреннее электрическое поле за счёт уменьшенных поляризационных зарядов на интерфейсах суперрешётки и уменьшает изгиб зон. Симуляции показывают, что такая структура снижает порог тока с 16,6 мА до 12,9 мА (снижение на ~22%), одновременно улучшая выходную мощность, дифференциальную квантовую эффективность и эффективность наклона.
Физический механизм: Барьер суперрешётки образует более высокий барьер в зонах проводимости для блокировки переполнения электронов, одновременно опуская барьер в валентной зоне для облегчения инъекции в отверстие, что значительно увеличивает скорость радиационной рекомбинации в активной области. Это направление оптимизации даёт чёткие экспериментальные рекомендации для проектирования эпитаксиальных пластин.
2. Технические характеристики эпитаксиальных пластин с лазерным диодом Violet
Power Wafertech Group предлагает лазерные диодные эпиваферы на базе GaN, ориентированные на фиолетовый диапазон, с доминирующей длиной волны 405 нм. Мы поддерживаем индивидуальные проекты эпитаксиальных конструкций для удовлетворения различных исследовательских требований, включая вариации толщины, состава и профилей легирования. Ключевые параметры продукта приведены ниже:
| Эпинефрин No. | Материал | Толщина | Al(%) | В(%) | Допинг |
|---|---|---|---|---|---|
| 8 | Контактный слой | 10 нм | * | ||
| 7 | p-GaN | * | Мг: * | ||
| 6 | AlGaN | * | * | * | |
| 5 | InGaN | * | * | * | |
| 4 | MQW | * | * | * | * |
| 3 | InGaN | * | * | * | |
| 2 | AlGaN | * | * | * | |
| 1 | n-GaN | * | Si: * | ||
| 0 | Si-субстрат |
3. Часто задаваемые вопросы от исследовательских клиентов
Вопрос 1: Каков состав и специфическая концентрация легирования Mg контактного слоя в фиолетовом LD-эпивафере? Учитывая точный контроль толщины MOCVD, существует ли теоретическая толщина проекта?
Ответ: Состав и легирование: контактный слой в эпивафере LD — это слой p++ с чрезвычайно высокой концентрацией легирования Mg; Точная стоимость зависит от конкретного дизайна и может быть адаптирована.
Толщина: Да, теоретическая конструкция существует. Для получения подробных оценок, пожалуйста, свяжитесь с нашей командой продаж.
Вопрос 2: Является ли длина волны лазера GaN ровно 405 нм?
Ответ: 405 нм — это наше обычное обозначение для этого диапазона. Фактическая длина волны лазеризации обычно находится в диапазоне 400–415 нм, при этом точное значение немного варьируется в зависимости от деталей выращивания материала и процессов изготовления устройства.
Вопрос 3: Какой метод вы сейчас используете для разрезания материала GaN-on-Si на полоски? Ранее мы обрабатывали материалы GaAs путём: разбавки до определённой толщины → нанесения зубцов вдоль направления разреза с помощью рубильной машины → прокатки и ломки. Однако, учитывая, что GaN гораздо твёрже, чем GaAs, а кремниевая подложка, похоже, не имеет чётко очерченной естественной плоскости расщепления, работает ли тот же метод расщепления для кремниевых эпиваферов GaN? Или вы рекомендуете альтернативный подход?
Ответ: Этот процесс одинаково эффективен для кремниевых эпиваферов GaN и может выполняться как описано.
Вопрос 4: Можете ли вы предоставить данные о производительности лазера (кривые L-I-V и т.д.) на основе эпитаксии LD после изготовления устройства?
О: Конкретные данные о производительности лазерного использования (например, пороговый ток, выходная мощность) зависят от конечного процесса изготовления устройства. Рекомендуем связаться с нашей отделом продаж напрямую для получения дополнительной информации.
Барьер суперрешётки AlGaN/InGaN продемонстрировал значительные улучшения в фиолетовых LD на основе GaN, предлагая жизнеспособный путь к высокопроизводительным встроенным источникам света для кремниевой фотоники. Power Wafertech Group предоставляет настраиваемые эпиваферы с точным контролем инженерии поляризации, профилей легирования и структуры полос, поддерживая академические и исследовательские учреждения в исследовании инновационных концепций устройств — от выращивания материалов до полного изготовления устройств.
Ссылка:
Алахьяризаде, Г., Амирхосейни, М., и Хорсанди, М. (2022). Повышение производительности лазерных диодов с глубокими фиолетовыми InGaN двойными квантовыми ямами и структурой барьеров четвертичной суперрешётки. Журнал возобновляемой энергетики и окружающей среды, 9(1), 106-111.
Обсудите требования к субстрату с нашей командой
Power Wafertech предоставляет высококачественные полупроводниковые пластины и эпитаксиальные решения, адаптированные к спецификациям вашего устройства. Свяжитесь с ними, чтобы узнать варианты субстрата и эпиваферов для вашего следующего проекта.
Свяжитесь с нашей командой