实现垂直深紫外激光器

具有垂直结构的深紫外激光器有望解决电流注入相关问题

上图：利用涂有荧光粉的纸张可以看到298 nm激光器的发光图案

日本工程师称已在深紫外半导体激光器上取得新突破，其几何结构是垂直的，而不是水平的。

名城大学研究团队发言人Motoaki Iwaya表示：“这是一项关键技术，可提高基于AlGaN的深紫外激光二极管的光输出功率。”

根据Motoaki Iwaya的说法，大多数基于AlGaN的器件都生长在蓝宝石和AlN等半绝缘材料上，以确保晶体有较高的品质，这类器件的主要缺点是其横向几何结构限制了电流的流动。其对载流子传输的限制源于较难进行p型掺杂，而较难进行p型掺杂不利于实现可均匀传导电流的大型p型电极。

为了克服这一瓶颈，来自名城大学、Ushio、Seishin Trading的团队正在研究垂直器件结构。这种几何结构已经在基于InGaN的可见光LED和激光二极管中取得了成功。

对于基于AlGaN的垂直器件，需要去除绝缘的AlN或蓝宝石，可通过激光剥离、电化学蚀刻或研磨抛光来完成这项工作。

Motoaki Iwaya及其同事利用一种基于激光剥离的剥离方式，以提取大小约1 cm²的材料。研究人员首先在AlGaN模板上生长器件结构，并以纳米印刷和电感耦合等离子体蚀刻定义的AlN纳米柱为基础。该团队曾用这种方法制造过基于AlGaN的UVB LED。

激光结构是在2英寸c平面蓝宝石衬底上生长的，衬底上AlN纳米柱的平台宽度为400 nm，高300 nm，以间距1 mm的三角晶格图案排列。在这些纳米柱上，工程师们使用MOCVD技术添加了5 mm厚的未掺杂Al_0.68Ga_0.32N模板、170 nm厚的未掺杂Al_0.5Ga_0.5N层（在剥离工艺中吸收激光）、器件异质结构（详见图）。

继续进行器件制造，将外延片分割为多个1 cm²的方形，加入多晶烧结AlN作为结构支撑（使用Au-Sn焊料与异质结构键合），然后使用波长为257 nm、光密度为0.53 J cm^-2的脉冲激光进行激光剥离。后续的加工，包括添加电极和划片，产生了腔长在500 nm到1.2 mm之间的激光器。

由于p型电极脱落，研究团队生产的激光器中只有约三分之二能够有效运行。Motoaki Iwaya及其同事认为，产量损失是因为与支撑衬底的键合强度不够、晶体生长过程中衬底翘曲、所选的电介质薄膜和其他元件都不够理想。改进材料和工艺的选择应该能解决这些问题。

使用50 ns脉冲驱动腔长为1200 mm、孔宽为5 μm的激光器，电流密度为25 kA cm^-2时，可在298.1 nm波长处产生极其尖锐的发光峰。电流密度更大时，会产生多个发光峰，输出功率也增至数毫瓦。

Motoaki Iwaya并未对额外发光峰的出现感到惊讶。“设计光腔时，没有考虑横向和纵向光学约束，因此该激光器是以多模振荡的。”他表示，可采用用于可见光激光二极管的腔体控制技术，进而改善模态约束。

研究团队接下来有多个目标，其中一个就是解决激光器工作电压过高的问题，这一问题源于n型电极的肖特基接触。“我们的目标是形成电阻较低的欧姆n型电极，进而降低工作电压，然后扩大器件的尺寸，进而演示单个芯片上光输出功率达到瓦级的深紫外激光二极管的运行。”

参考文献

T. Nishibayashi et al. Appl. Phys Express 16 104001 (2023)