降低黄光激光器件的阈值电流

降低黄光激光器件的阈值电流

采用一种脊型波导结构可降低BeZnCdSe基黄光激光器件的阈值电流

两名日本研究者通过采用一种脊型波导结构成功地降低了BeZnCdSe基黄光激光器件的阈值电流，这项改进将有助于这种激光器件的商品化，能使其在医疗领域获得应用。

文章的通信作者，日本产业技术综合研究所（AIST）的Ryoichi Akimoto对此解释道：“在视网膜治疗上常使用黄色激光，例如氩-氪气体激光和基于非线性波长转换的激光”，“激光二极管由于具有低成本、低功耗和易操作等优势，也可在这种新兴领域中获得应用”。

然而，为了达到这一应用目标，就必须提高激光二极管的输出功率。Akimoto和在AIST与上海理工大学同时任职的Jijun Feng合作，制备出了发射功率为几毫瓦的激光器件，而实际应用所需要的功率需要达到100 mW到1W。要制备发射波长在560nm到590nm之间的黄光激光二极管是一项十分具有挑战性的工作，因为氮化物基激光器件难以覆盖这个波长区域，InGaP基激光器件也不可能实现，最有希望的是基于ZnSe材料系统，它可以通过掺入铍来增加激光器件的寿命。

添加镉元素可以使激光器件的发射波长向长波方向移动，但是在GaAs衬底上生长ZnCdSe量子阱会在材料中引入显著的应变。

选用例如ZnTe或者InP等其它类型的衬底，可以实现更长波长的激光发射。但是为了实现能在室温下发射，需要采用光泵浦（photopumping），而采用电泵浦的激光发射只能在较低的温度下才能实现。

在2012年，Akimoto所在的团队宣布BeZnCdSe有望成为制造黄光激光器件的材料，它与GaAs衬底之间的晶格失配较小。在过去的几年中，采用这种四元合金材料制造量子阱的波导增益型绿光激光器件已经获得了超过50mw的输出功率，具有脊型波导结构激光器件的阈值电流可以做到小于10mA。

在Feng和Akimoto最近发布的黄光激光器件中，脊型波导结构是实现低阈值电流的关键。其中一个发射波长为567nm激光器件的阈值电流是0.51 kA/cm ^-2，而另一个563nm激光器件的阈值电流是0.82 kA/cm ^-2。

研究者们使用MBE的方法来制备这种激光器件。首先是在一个III-V族化合物生长室内沉积500nm厚的缓冲层，之后转移到II-VI族化合物生长室中，这样，就可以将一个BeZnCdSe单量子阱层与两个BeZnSe波导层形成一种三明治结构。然后将由n型BeMgZnSe覆盖层以及一对BeMgZnSe层和ZnSe:N层形成的短周期超晶格p型覆盖层进行包覆。

在外延晶圆上制作的这种脊型波导激光器件的台面宽度是由电子束光刻制作完成，之后淀积金属层并且利用剥离（lift-off）工艺来制作Ti/Pt/Ni金属叠层。这个金属层同时也充当了后续干法刻蚀过程中的掩膜，并形成与p型层的欧姆接触。采用电感耦合等离子体（ICP）刻蚀出深度为900nm的槽以产生波导结构，随后用等离子体增强CVD工艺来填充2μm厚的SiO₂层，再采用化学机械抛光（CMP）形成一个平整表面，并去除掉残余的SiO₂以暴露出金属掩膜层，最终利用光刻手段在金属掩膜层上形成电极。

使用劈裂（Cleaving）方法可以制造具有不同共振腔长度的脊型波导激光器件，使用四对SiO₂ 和 ZrO₂材料层所形成得介质叠层可以使激光端面的光反射率达到90%以上。

在制备657 nm波长激光器件的晶圆上，最好的结果来自一个7 μm宽、300μm长共振腔体的激光器件，它的阈值电流是10.8 mA，阈值电压为8.4 V。而对于563nm波长激光器件，其最好的结果也来自于具有7 μm宽、300 μm长共振腔体的芯片，它的阈值电流和阈值电压分别为7.4 mA 和 8.48 V。

这两名研究者的目标是提高激光器的输出功率及其稳定性，根据Akimoto的说法，商用化器件的输出功率需要超过100mW，并且其可靠性要大于5000小时。

脊型波导结构能使黄光激光器件实现毫瓦级的连续波输出。

J. Feng et. al. Appl. Phys. Express 9 012101 (2016)