原創 長光所Light中心 中國光學
編者按
近日，南京郵電大學的朱剛毅副教授在《發光學報》發表了題為"Floating enhanced GaN Micro Wheel LEDs for 3dB communication"的論文。該工作採用標準半導體工藝在矽襯底上製備了氮化鎵（GaN）基車輪形發光器件。採用各向同性溼法刻蝕工藝將器件懸空，研究了懸空對器件光強、半高寬、波長漂移、3 dB帶寬等性能的影響。由於減小了光損耗，在懸空結構中腔效應更加明顯，器件的電致發光和通信性能得到了提升。該研究對電驅動光源的製備和可見光通信具有重要意義。為使廣大讀者了解該課題組近年來在這一領域開展的相關工作，《發光學報》編輯部特邀請論文作者撰寫了本篇報導。
1. 導讀
大範圍、低成本矽基光電集成電路製造技術在突破通信和計算機領域中數據傳輸速度和帶寬極限方面具有巨大潛力。矽材料的間接帶隙屬性和較窄（1.12 eV）的禁帶寬度限制了矽器件的發光波長和發光效率。作為廣受業界關注的第三代半導體，GaN基材料已廣泛應用於高速高性能光通信領域。GaN器件與矽基光電器件的集成技術造就了可控片上光源的未來，其發光二極體(LEDs)和雷射二極體(LDs)均獲得了巨大的商業成功。但是受矽基GaN異質外延生長過程中晶格失配等問題的影響，矽基GaN發光器件存在發光效率低、寄生電容大等問題，限制了高質量發光器件的研發和相關的光通信應用。減少器件的界面損耗，釋放異質外延造成的應力，提升器件發光效率，一直是發光二極體領域研究者們努力的方向。
2. 研究背景
GaN基發光二極體是目前廣泛應用的光源，如何使用簡便的方法、低成本的材料獲得高亮度紫外發光器件一直是研究者們關注的熱點。從器件結構上考慮，傳統的平面結構不利於光輸出，引入微腔，構建帶有光場調控能力的發光二極體成為提升器件性能的有效手段。垂直結構的F-P腔製備工藝簡單，是早期研究的主要結構。近年來，具有低損耗、高光場限域能力、高調製速率的微盤和微環形發光器件逐漸佔據主流。本課題組長期從事GaN回音壁模式器件的發光和雷射特性研究。2018年，本課題組研究了GaN微盤中的雷射，利用懸空技術減少Si襯底對GaN微盤的光學損耗，實現了單模雷射輸出(G.Y. Zhu, Opt. Lett. , 43, 2018, 647-650) 。並通過在微盤上附加倒角的形式，控制雷射的輻射方向(G.Y. Zhu, Appl. Phys. Lett. , 111, 2017, 202103-202107)。從製備方法角度考慮，相較於直接生長的天然結構，利用標準半導體工藝中的光刻、電子束蒸鍍、反應離子幹法刻蝕和化學溼法刻蝕等方法製備的器件具有大範圍的統一度和更大程度的可控性。2019年蘇州納米所的孫錢課題組利用該技術，製備了一系列的雷射和發光二極體 ( J. Wang, Photonics. Res. , 7, 2019,32-35)。
圖1 車輪形懸空GaN微盤發光二極體
本課題組的前期工作表明，藉助標準半導體工藝完全可以在商業矽基GaN外延片上製備懸空微盤發光二極體，並覆蓋鈣鈦礦材料構建了雙波段發光器件(G.Y. Zhu, Europhys. Lett. , 128 (2019) 58002)。從材料角度考慮，相較於同質外延片，矽基GaN外延片可以極大降低GaN發光器件的成本，但是由於Si和GaN之間的晶格失配和熱膨脹係數差異、內應力帶來的極化、表面裂痕以及界面的光損耗等問題，矽基GaN構成的發光器件很難實現高質量的電致發光。發光中心和發光強度控制是矽基GaN發光二極體中的重要研究方向。
3. 創新研究
3.1製備懸空GaN微腔發光二極體
本課題組研究表明，引入微腔並將其懸空構建車輪形微腔LED可以有效改善器件性能，提升矽基GaN發光二極體的發光特性，改善器件的光通信性能。如圖1，利用標準半導體工藝，結合光刻、反應離子刻蝕和蒸鍍，可以大範圍製備出規則的車輪型GaN微盤發光二極體陣列，單個器件為車輪形。利用稀硝酸和氫氟酸的混合溶液溼法刻蝕後，可令器件懸空。器件的發光性能表徵如圖2所示，懸空前後的器件都呈現出發光峰值在450 nm左右的藍光LED特性，器件的發光強度隨驅動電流的增加而增加。對於未懸空器件，光譜半高寬為 15-17 nm，該數值小於傳統的平面二極體結構。懸空後器件的半高寬進一步減少，發光強度明顯增加，並出現光譜紅移的現象。值得注意的是，兩種結構中都觀測到了量子限域斯塔克效應，具體表現為光譜隨著驅動電流的增加而藍移的現象。研究結果顯示懸空器件能有效抑制量子限域斯塔克效應，歸因於懸空導致的應力釋放。該操作對獲得穩定的LED光源意義重大。
圖2 懸空前後器件的形貌和電致發光特性
3.2 懸空器件對光通信性能的提升
獲得穩定光通信的前提是具有穩定的光源，後面的研究中測試了懸空前後器件的3dB帶寬和電容特性。懸空微輪具有更大的3dB帶寬和更好的通信特性。從圖3可以看出，在9 ~ 13 V電壓下，微輪的信號幅值隨頻率的增加而迅速衰減。其中，在9 V時信號衰減最快，在16 MHz頻率時振幅衰減20 dB。結果表明微輪的通信特性並不是特別理想，不適合在寬頻帶進行數據傳輸。將器件懸空後，當頻率在14 MHZ以內時，懸空微輪的幅值衰減很小。隨著頻率的增加，幅值衰減速度大大加快。由此可見，懸空器件在14 MHz以下具有良好的通信性能。進一步的3dB分析顯示，懸空器件在16 V時可達15 MHz的最大3dB帶寬。進一步對器件的電容特性進行研究分析。從負偏置到較小正偏置，兩個微輪器件的電容都隨著電壓增加而慢慢增大。當電壓達到0.2 V時，原始微輪器件的電容迅速下降到負值。當電壓達到1.5 V時，懸浮微輪器件的電容也迅速下降到負值，且下降幅度較大。圖3(c)中的放大圖中可以看出，懸空器件電容更小。懸空器件的電容特性優化是產生通信性能提升的主要原因，也可以解釋懸空後寄生電容的減少。這項工作說明了對器件進行懸空處理的重要性，對於提高光學微腔的光學增益實現受激發射是必要的。
圖3 懸空前後器件的3dB帶寬測試結果
3.3 微腔雷射器嘗試
在懸空車輪型發光二極體的基礎上以及工藝的優化，後期的研究中製備出懸空微盤器件，已經發現了放大自發輻射。如圖4所示，單個器件為圓型，採用環型Au電極結構實現器件電驅動。電驅動下可以觀測到中心波長在410 nm的準雷射模式，單峰半高寬為2.3 nm。該結構的成功製備有望推進下一步GaN微腔雷射器的發展，最終製備出小尺寸片上雷射光源。
圖4 懸空點驅動GaN級微腔雷射器器件光譜和光鏡圖
4. 應用與展望
總之，懸空GaN微腔發光二極體能夠有效解決Si基GaN發光器件中的應力釋放和光學損耗等問題，從而提升器件發光性能。同時，器件的通信性能也能夠得到提升，利於其在通信和探測領域的應用。值得一提的是將該工藝應用於微雷射器設計，在圓盤型結構中可以獲得窄線寬的準雷射器。然而，目前的微腔雷射器研究中依然存在一些問題有待解決：（一）如何獲得高質量的矽基GaN量子阱外延片（高載流子濃度和高遷移率）；（二）如何在刻蝕過程中和後續工藝中提高微腔的側壁光滑度、陡直性，降低光學損耗；（三）如何設計電極，使器件的發光區與微腔區重合，提高光學增益；（四）如何將設計結構將微腔中的光最大限度的耦合出來，使其能與其他光電器件耦合。這些都將是我們下一步研究需要考慮解決的核心問題。
文章信息
ZHU Gangyi, QIU Guoqing, QIN Feifei, et al. Floating GaN Micro Wheel Light Emitting Diodes[J]. Chinese Journal of Luminescence, 2020, 41(9):1146-1152. DOI：10.37188/fgxb20204109.1146
論文地址
http://cjl.lightpublishing.cn/thesisDetails?columnId=3558680
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原標題：《朱剛毅：懸空車輪形氮化鎵發光二極體》
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