消除深紫外激光二极管中的暗线缺陷

倾斜的台面几何结构通过消除暗线缺陷，有望获得卓越的深紫外激光二极管

日本的一个团队通过引入倾斜的台面几何结构，消除了富铝AlGaN基激光器中的暗线缺陷。消除这些缺陷应能生产出更可靠、更高效的UVC激光二极管，其波长范围为100nm至280nm。

名古屋大学和旭化成公司的工程师表示，由于AlGaN UVC激光器效率低、寿命短且缺乏可靠性，目前的AlGaN UV-C激光器不切实际。

造成这些缺点的是暗线缺陷，它使台面边缘的有源区恶化。一种解决方法是将p型电极放置在远离台面边缘的位置，因此电流路径避开了这一区域——但这会导致更高的电阻，进而导致器件发热和阈值电流升高。

采用这种方法，该团队最近生产了一种272纳米激光器，可在5°C下连续工作。对于这台600µm长的激光器，距台面角的距离每增加5µm，n电极和p电极之间的电阻就会增加2.6 W。由此产生的高电阻导致焦耳加热，从而阻止了室温激光发射。由于与伪晶生长相关的限制，工程师无法通过加厚Al0.75Ga0.25N n型包覆层或降低其铝含量来降低这种电阻。打破这些规则将导致有源区中更高的缺陷密度，从而抑制辐射复合。

该团队的272纳米激光器的一个弱点是它布满了暗线缺陷。为了研究它们的起源，该团队的最新工作涉及在单晶AlN衬底上生长MOCVD激光结构。该异质结构包括：350nm厚的n型Al0.7Ga0.3N包层；具有多个量子阱的100nm厚的Al0.63Ga0.37N波导；320nm厚的p型包覆层，具有分布的极化掺杂和85%的平均铝含量；以及p接触层。干蚀刻隔离了p接触层，并沿[1100]方向限定了台面条纹。

为了帮助分析，该团队避免在他们的设备中添加金属电极。然而，他们仍然对其上层结构进行热处理，以防影响其材料质量。

对这些图像的检查显示，不存在部分位错和堆垛断层，强有力的证据表明位错源于垂直于台面条纹的力所导致的滑移。

这些位错发生在其他材料系统中，例如InGaN/GaN和AlN/SiC异质结构，其中由于晶格失配而存在大应变，平面应力的对称性被台面沟槽破坏。

该团队的有限元建模揭示了结构内的作用力，并表明将台面坡度角减小到50°以下可以显著降低台面沟槽拐角处的剪应力集中。

该团队已经对这一发现进行了测试。团队发言人Maki Kushimoto承认：“AlGaN的蚀刻速度很慢，所以我们担心我们能否获得所需的形状。然而，在尝试了几种抗蚀剂和回流条件后，很明显我们可以稳定地形成台面。”

平面图透射电子显微镜显示，与表面倾斜15°的结构没有暗线缺陷。

该团队的目标包括进一步研究位错。Kushimoto透露：“我想阐明位错向活性层传播的机制、热膨胀的影响以及晶面取向的影响。”

上图：平面图透射电子显微镜显示了具有常规几何结构的AlGaN激光二极管中的暗线缺陷。

参考文献

M. Kushimoto et al. Appl. Phys. Lett. 121 222101 (2022)

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