文/梁锋、赵德刚，中国科学院半导体研究所
氮化镓（GaN）基材料被称为第三代半导体（包括InN、GaN、AlN及其合金等），禁带宽度从0.7-6.2 eV，其光谱范围覆盖了从近红外、可见光到深紫外全波段，在光电子学领域有重要的应用价值。其中，GaN基蓝光LED的发明直接引发了照明技术和产业的革命，三位日本科学家赤崎勇、天野浩、中村修二获得了2014年度诺贝尔物理学奖。作为另外一种高端光电子器件，GaN基激光器具有波长可调、能量集中、效率高、体积小、可大规模生产等优点，在激光显示、激光照明、激光加工、水下通信、生化检测等领域具有广泛的应用前景。
自从1995年日本的日亚公司研制出世界上第一只GaN基激光器以来，经过多年努力，GaN基蓝光激光器已逐步实现商业化。然而，高性能GaN基绿光激光器和紫外激光器仍然是研究难点。对于绿光激光器来说，调控光场与抑制光学损耗则是研究重点之一。中科院半导体所先后研制出国内第一支GaN基蓝光激光器和紫外激光器，也研制出GaN基绿光激光器，并公开报道了长寿命GaN基激光器，对GaN基激光器有自己的理解和认识。
高性能GaN基绿光激光器的研究难点
众所周知， GaN基绿光激光器是高难度的半导体光电子器件，这主要有四方面原因：
GaN与InN材料的互溶性差，导致高铟含量的绿光量子阱难以生长；
随着量子阱中铟含量的增加，量子阱与势垒之间的晶格失配增加，极化引起的量子限斯塔克效应 (quantum confinement Stark effect)增强，导致电子与空穴波函数的交叠减少，增益降低；
高铟组分绿光量子阱更易受高温影响，因此高温p型层的外延生长可导致量子阱退化，降低发光效率；
随着激光波长的增加，波导层与限制层的折射率差减小，限制层对光场的限制作用减弱，导致绿光激光器存在严重的光场泄漏。
其中，光场泄漏引起的光学损耗是阻碍绿光激光器技术发展的重要因素。早期的研究表明，采用GaN同质衬底、厚n- InGaN为波导层、厚GaN为限制层，可以降低GaN基绿光激光器的光场泄漏、提高激光器性能。因此，研究光场分布、抑制光场泄漏，对于 GaN基绿光激光器来说非常重要。
光场分布如何影响绿光激光器特性？
下面我们先来了解一下绿光激光器的基本结构和光场分布。
GaN基绿光激光器结构复杂、技术难度很大，其基本结构如图1所示。
图1 GaN基绿光激光器结构简图
激光器光场分布影响激光器的光场限制因子与增益，进而影响器件特性。有源区的光场分布比例越高，激光器限制因子越大，增益越高，器件性能越优异。然而光场分布受诸多因素影响，其中限制层、波导层则是主要因素。
因此，综合设计限制层和波导层厚度及组分可以调控激光器的光场分布、降低光场泄漏，也是提高激光器性能关键之一。因此，采用LASTIP进行理论计算，分析器件输出特性，为激光器结构设计提供理论支撑。
那么，如何改善光场分布，从而提高绿光激光器输出特性？从两个方面来提高：
01
提高n型限制层厚度
GaN基绿光激光器光场泄漏发生在n型区域，提高n型限制层厚度可以改善光场分布。
图2 激光器的光场分布（a）、光学限制因子（b）、光学损耗（c）及光功率（d）。图（a）中灰色标记区域为GaN衬底。
图2表明，随着n型限制层厚度增加，光场强度的峰值明显远离GaN衬底，光场被压缩，光场泄漏的现象基本消除。
因此，适当增加n型限制层厚度可以增强n型限制层对光场的限制能力，抑制光场泄漏，提高光学限制因子，降低光学损耗，进而改善激光器输出特性增强光场限制能力，提高激光器输出特性。
02
提高波导层厚度
提高下波导与n型限制层之间的折射率差可以增强光场限制能力，改善器件性能。
图3 激光器的光场分布（a）与光功率-电流（PI）曲线
图3表明，采用GaN下波导时，光场泄漏严重，光学损耗大，增益小于损耗，导致激光器并未激射。然而，采用In0.05Ga0.95N下波导时，光场泄漏减少，激光器实现电注入激射。这是因为采用高组分InGaN下波导时，限制层与波导层之间的折射率差增大，增强光场限制作用，从而改善激光器输出特性。
图4 激光器的光场分布（a）与光功率与阈值电流（b）。其中，下波导In0.05Ga0.95N。
提高波导层厚度可以增强光场限制作用。图4表明，增加波导层厚度时，光场泄漏现象得到明显抑制，激光器性能得到明显改善。光场泄漏降低时，光场限制因子增加，即有源区内光场分布的比例增加，降低光学损耗，从而导致激光器光功率增加、降低阈值电流。因此，采用厚层下波导可以调整光场分布，改善激光器输出特性。
综上所述，设计波导层与限制层的组分及厚度可以调控光场分布，抑制光场泄漏与光学损耗，从而改善GaN基绿光激光器的输出特性。
封面来源：www.techina2025.com
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