朱刚毅：悬空车轮形氮化镓发光二极管

原创 长光所Light中心 中国光学

编者按

近日，南京邮电大学的朱刚毅副教授在《发光学报》发表了题为"Floating enhanced GaN Micro Wheel LEDs for 3dB communication"的论文。该工作采用标准半导体工艺在硅衬底上制备了氮化镓（GaN）基车轮形发光器件。采用各向同性湿法刻蚀工艺将器件悬空，研究了悬空对器件光强、半高宽、波长漂移、3 dB带宽等性能的影响。由于减小了光损耗，在悬空结构中腔效应更加明显，器件的电致发光和通信性能得到了提升。该研究对电驱动光源的制备和可见光通信具有重要意义。为使广大读者了解该课题组近年来在这一领域开展的相关工作，《发光学报》编辑部特邀请论文作者撰写了本篇报道。

1. 导读

大范围、低成本硅基光电集成电路制造技术在突破通信和计算机领域中数据传输速度和带宽极限方面具有巨大潜力。硅材料的间接带隙属性和较窄（1.12 eV）的禁带宽度限制了硅器件的发光波长和发光效率。作为广受业界关注的第三代半导体，GaN基材料已广泛应用于高速高性能光通信领域。GaN器件与硅基光电器件的集成技术造就了可控片上光源的未来，其发光二极管(LEDs)和激光二极管(LDs)均获得了巨大的商业成功。但是受硅基GaN异质外延生长过程中晶格失配等问题的影响，硅基GaN发光器件存在发光效率低、寄生电容大等问题，限制了高质量发光器件的研发和相关的光通信应用。减少器件的界面损耗，释放异质外延造成的应力，提升器件发光效率，一直是发光二极管领域研究者们努力的方向。

2. 研究背景

GaN基发光二极管是目前广泛应用的光源，如何使用简便的方法、低成本的材料获得高亮度紫外发光器件一直是研究者们关注的热点。从器件结构上考虑，传统的平面结构不利于光输出，引入微腔，构建带有光场调控能力的发光二极管成为提升器件性能的有效手段。垂直结构的F-P腔制备工艺简单，是早期研究的主要结构。近年来，具有低损耗、高光场限域能力、高调制速率的微盘和微环形发光器件逐渐占据主流。本课题组长期从事GaN回音壁模式器件的发光和激光特性研究。2018年，本课题组研究了GaN微盘中的激光，利用悬空技术减少Si衬底对GaN微盘的光学损耗，实现了单模激光输出(G.Y. Zhu, Opt. Lett. , 43, 2018, 647-650) 。并通过在微盘上附加倒角的形式，控制激光的辐射方向(G.Y. Zhu, Appl. Phys. Lett. , 111, 2017, 202103-202107)。从制备方法角度考虑，相较于直接生长的天然结构，利用标准半导体工艺中的光刻、电子束蒸镀、反应离子干法刻蚀和化学湿法刻蚀等方法制备的器件具有大范围的统一度和更大程度的可控性。2019年苏州纳米所的孙钱课题组利用该技术，制备了一系列的激光和发光二极管 ( J. Wang, Photonics. Res. , 7, 2019,32-35)。

图1 车轮形悬空GaN微盘发光二极管

本课题组的前期工作表明，借助标准半导体工艺完全可以在商业硅基GaN外延片上制备悬空微盘发光二极管，并覆盖钙钛矿材料构建了双波段发光器件(G.Y. Zhu, Europhys. Lett. , 128 (2019) 58002)。从材料角度考虑，相较于同质外延片，硅基GaN外延片可以极大降低GaN发光器件的成本，但是由于Si和GaN之间的晶格失配和热膨胀系数差异、内应力带来的极化、表面裂痕以及界面的光损耗等问题，硅基GaN构成的发光器件很难实现高质量的电致发光。发光中心和发光强度控制是硅基GaN发光二极管中的重要研究方向。

3. 创新研究

3.1制备悬空GaN微腔发光二极管

本课题组研究表明，引入微腔并将其悬空构建车轮形微腔LED可以有效改善器件性能，提升硅基GaN发光二极管的发光特性，改善器件的光通信性能。如图1，利用标准半导体工艺，结合光刻、反应离子刻蚀和蒸镀，可以大范围制备出规则的车轮型GaN微盘发光二极管阵列，单个器件为车轮形。利用稀硝酸和氢氟酸的混合溶液湿法刻蚀后，可令器件悬空。器件的发光性能表征如图2所示，悬空前后的器件都呈现出发光峰值在450 nm左右的蓝光LED特性，器件的发光强度随驱动电流的增加而增加。对于未悬空器件，光谱半高宽为 15-17 nm，该数值小于传统的平面二极管结构。悬空后器件的半高宽进一步减少，发光强度明显增加，并出现光谱红移的现象。值得注意的是，两种结构中都观测到了量子限域斯塔克效应，具体表现为光谱随着驱动电流的增加而蓝移的现象。研究结果显示悬空器件能有效抑制量子限域斯塔克效应，归因于悬空导致的应力释放。该操作对获得稳定的LED光源意义重大。

图2 悬空前后器件的形貌和电致发光特性

3.2 悬空器件对光通信性能的提升

获得稳定光通信的前提是具有稳定的光源，后面的研究中测试了悬空前后器件的3dB带宽和电容特性。悬空微轮具有更大的3dB带宽和更好的通信特性。从图3可以看出，在9 ~ 13 V电压下，微轮的信号幅值随频率的增加而迅速衰减。其中，在9 V时信号衰减最快，在16 MHz频率时振幅衰减20 dB。结果表明微轮的通信特性并不是特别理想，不适合在宽频带进行数据传输。将器件悬空后，当频率在14 MHZ以内时，悬空微轮的幅值衰减很小。随着频率的增加，幅值衰减速度大大加快。由此可见，悬空器件在14 MHz以下具有良好的通信性能。进一步的3dB分析显示，悬空器件在16 V时可达15 MHz的最大3dB带宽。进一步对器件的电容特性进行研究分析。从负偏置到较小正偏置，两个微轮器件的电容都随着电压增加而慢慢增大。当电压达到0.2 V时，原始微轮器件的电容迅速下降到负值。当电压达到1.5 V时，悬浮微轮器件的电容也迅速下降到负值，且下降幅度较大。图3(c)中的放大图中可以看出，悬空器件电容更小。悬空器件的电容特性优化是产生通信性能提升的主要原因，也可以解释悬空后寄生电容的减少。这项工作说明了对器件进行悬空处理的重要性，对于提高光学微腔的光学增益实现受激发射是必要的。

图3 悬空前后器件的3dB带宽测试结果

3.3 微腔激光器尝试

在悬空车轮型发光二极管的基础上以及工艺的优化，后期的研究中制备出悬空微盘器件，已经发现了放大自发辐射。如图4所示，单个器件为圆型，采用环型Au电极结构实现器件电驱动。电驱动下可以观测到中心波长在410 nm的准激光模式，单峰半高宽为2.3 nm。该结构的成功制备有望推进下一步GaN微腔激光器的发展，最终制备出小尺寸片上激光光源。

图4 悬空点驱动GaN级微腔激光器器件光谱和光镜图

4. 应用与展望

总之，悬空GaN微腔发光二极管能够有效解决Si基GaN发光器件中的应力释放和光学损耗等问题，从而提升器件发光性能。同时，器件的通信性能也能够得到提升，利于其在通信和探测领域的应用。值得一提的是将该工艺应用于微激光器设计，在圆盘型结构中可以获得窄线宽的准激光器。然而，目前的微腔激光器研究中依然存在一些问题有待解决：（一）如何获得高质量的硅基GaN量子阱外延片（高载流子浓度和高迁移率）；（二）如何在刻蚀过程中和后续工艺中提高微腔的侧壁光滑度、陡直性，降低光学损耗；（三）如何设计电极，使器件的发光区与微腔区重合，提高光学增益；（四）如何将设计结构将微腔中的光最大限度的耦合出来，使其能与其他光电器件耦合。这些都将是我们下一步研究需要考虑解决的核心问题。

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

论文地址

http://cjl.lightpublishing.cn/thesisDetails?columnId=3558680

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原标题：《朱刚毅：悬空车轮形氮化镓发光二极管》

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