Con la crescita esplosiva dei big data, del cloud computing e dell'intelligenza artificiale, il traffico globale di dati sta aumentando esponenzialmente, imponendo richieste sempre più alte su velocità di trasmissione e larghezza di banda. La fotonica al silicio è considerata la tecnologia principale per le interconnessioni on-chip di nuova generazione grazie alla sua ampia larghezza di banda, all'elevata velocità e al basso consumo energetico. Tuttavia, la banda banda indiretta del silicio rende intrinsecamente difficile l'emissione efficiente della luce, stimolando la ricerca di materiali luminescenti che possano essere integrati direttamente sulle piattaforme di silicio.
I semiconduttori a III-nitruro (ad esempio, GaN, InGaN, AlGaN) presentano gap di banda diretti e sintonizzabili che coprono lunghezze d'onda da ultravioletto a infrarosso, e hanno già dimostrato prestazioni eccezionali nei LED e nei diodi laser (LD). In particolare, i diodi laser a base di GaN coltivati su substrati di silicio (GaN-on-Si LD), specialmente quelli che emettono intorno ai 405 nm (viola), sono fonti luminose molto promettenti per la fotonica al silicio. Questa banda di lunghezza d'onda consente applicazioni critiche nelle comunicazioni a luce visibile, nelle comunicazioni subacquee, negli orologi atomici, nell'archiviazione ottica ad alta densità e nel rilevamento—rendendo il LD viola un elemento chiave per l'integrazione fotonica di nuova generazione.
1. Colli di bottiglia nelle prestazioni dei LD violetti e ottimizzazione delle barriere superreticolari
Nonostante la dimostrazione del laser elettrico a temperatura ambiente nei LD violetti basati su GaN, le prestazioni del dispositivo rimangono limitate da diversi fattori fisici di particolare interesse per i ricercatori accademici:
Bassa efficienza di iniezione di buchi: La mobilità dei vuoti negli strati di tipo p dopati con Mg è molto inferiore rispetto a quella elettronica, e i buchi hanno una grande massa efficace, portando a una distribuzione non uniforme dei portatori nella regione attiva e limitando la ricombinazione radiativa.
Perdita di elettroni: Sotto correnti di iniezione elevate, gli elettroni superano facilmente lo strato di blocco degli elettroni (EBL) e fuoriuscino nella regione p, causando ricombinazione non radiativa e aumentando la corrente soglia.
Flessione delle bande indotta dalla polarizzazione: forti effetti di polarizzazione spontanea e piezoelettrica nei materiali a base di GaN generano campi elettrici incorporati alle interfacce pozzo quantistico/barriera, inclinando le bande energetiche e riducendo la sovrapposizione della funzione d'onda elettrone-lacuna, degradando così l'efficienza luminosa.
Per affrontare queste sfide, i ricercatori hanno esplorato nuove strutture barriera per sostituire le barriere convenzionali del GaN. Alahyarizadeh et al. (2022) hanno confrontato numericamente tre schemi: barriere GaN, barriere AlGaN e barriere superreticolari AlGaN/InGaN. I loro risultati chiave:
La barriera AlGaN aumenta la barriera elettronica effettiva da ~400meV a 569meV, abbassando la barriera effettiva dei buchi a 123meV, migliorando l'iniezione dei buchi e il confinamento elettronico—ma non riduce significativamente la corrente soglia.
La barriera superreticolare AlGaN/InGaN sopprime efficacemente il campo elettrico interno grazie alla riduzione delle cariche di polarizzazione alle interfacce del superreticolo e allevia la flessione delle bande. Le simulazioni mostrano che questa struttura abbassa la corrente di soglia da 16,6 mA a 12,9 mA (una riduzione del ~22%) migliorando contemporaneamente la potenza di uscita, l'efficienza quantistica differenziale e l'efficienza della pendenza.
Meccanismo fisico: La barriera del superreticolo forma una barriera di banda di conduzione più alta per bloccare il sovraplessamento degli elettroni, abbassando la barriera della banda di valenza per facilitare l'iniezione di lacune, aumentando così significativamente la velocità di ricombinazione radiativa nella regione attiva. Questa direzione di ottimizzazione fornisce una chiara guida sperimentale per la progettazione dei wafer epitassiali.
2. Specifiche del wafer epitassiale per diodi laser viola
Power Wafertech Group offre epiwafer a diodi laser basati su GaN mirati alla banda viola, con una lunghezza d'onda dominante di 405nm. Supportiamo progetti di strutture epitassiali personalizzate per soddisfare diverse esigenze di ricerca, incluse variazioni di spessore, composizione e profili di doping. I parametri chiave del prodotto sono riassunti di seguito:
| Epi No. | Materiale | Spessore | Al(%) | In(%) | Doping |
|---|---|---|---|---|---|
| 8 | Strato di contatto | 10nm | * | ||
| 7 | p-GaN | * | Mg: * | ||
| 6 | AlGaN | * | * | * | |
| 5 | InGaN | * | * | * | |
| 4 | MQW | * | * | * | * |
| 3 | InGaN | * | * | * | |
| 2 | AlGaN | * | * | * | |
| 1 | n-GaN | * | Si: * | ||
| 0 | Substrato di Si |
3. Domande frequenti da clienti ricercatori
D1: Qual è la composizione e la concentrazione specifica di Mg di drogaggio dello strato di contatto nell'epiwafer LD viola? Dato il controllo preciso dello spessore del MOCVD, esiste uno spessore teorico di progetto?
R: Composizione e doping: Lo strato di contatto nell'epiwafer LD è uno strato p++ con una concentrazione di doping di Mg estremamente alta; Il valore esatto dipende dal design specifico e può essere personalizzato.
Spessore: Sì, esiste uno spessore teorico di progetto. Per valori dettagliati, contatta il nostro team vendita.
D2: La lunghezza d'onda laser del diodo laser GaN è esattamente 405nm?
R: 405nm è la nostra designazione abituale per questa banda. La lunghezza d'onda reale del laser si colloca tipicamente tra 400 e 415 nm, con il valore esatto che varia leggermente a seconda dei dettagli di crescita del materiale e dei processi di fabbricazione del dispositivo.
D3: Quale metodo usate attualmente per tagliare il materiale GaN-on-Si in strisce a barra? In precedenza abbiamo lavorato i materiali GaAs soliendolo a uno spessore → incisione lungo la direzione di taglio con una macchina per la tagliatura → rotolando e rompendo. Tuttavia, dato che il GaN è molto più duro del GaAs e il substrato di silicio sembra mancare di un piano naturale di taglio ben definito, lo stesso metodo di taglio funziona per le epiwafer GaN a base di silicio? Oppure consigli un approccio alternativo?
R: Questo processo è altrettanto efficace per le epistelle GaN a base di silicio e può essere eseguito come descritto.
D4: Puoi fornire dati sulle prestazioni laser (curve L-I-V, ecc.) basati sull'epitassia LD dopo la fabbricazione del dispositivo?
R: I dati specifici sulle prestazioni laser (ad esempio, corrente soglia, potenza di uscita) dipendono dal processo finale del dispositivo. Consigliamo di contattare direttamente il nostro team di vendita per ulteriori dettagli.
La barriera superlattice AlGaN/InGaN ha dimostrato miglioramenti significativi nei LD viola basati su GaN, offrendo un percorso praticabile verso fonti luminose ad alte prestazioni sul chip per la fotonica al silicio. Power Wafertech Group fornisce epiwafer personalizzabili con un controllo preciso sull'ingegneria della polarizzazione, sui profili di doping e sulla struttura delle bande, supportando istituzioni accademiche e di ricerca nell'esplorazione di concetti innovativi di dispositivi — dalla crescita dei materiali alla realizzazione completa del dispositivo.
Riferimento:
Alahyarizadeh, G., Amirhoseiny, M., & Khorsandi, M. (2022). Miglioramento delle prestazioni dei diodi laser a doppio pozzo quantistico InGaN viola profondo con struttura a barriere a superreticolo quaternario. Journal of Renewable Energy and Environment, 9(1), 106-111.
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