Mit dem explosiven Wachstum von Big Data, Cloud Computing und künstlicher Intelligenz nimmt der globale Datenverkehr exponentiell zu und stellt immer höhere Anforderungen an Übertragungsraten und Bandbreite. Siliziumphotonik gilt aufgrund ihrer breiten Bandbreite, hohen Geschwindigkeit und geringen Stromverbrauchs als die gängige Technologie für On-Chip-Interconnects der nächsten Generation. Die indirekte Bandlücke von Silizium erschwert jedoch die effiziente Lichtemission von Natur aus und treibt die Suche nach lumineszierenden Materialien an, die direkt in Siliziumplattformen integriert werden können.

III-Nitrid-Halbleiter (z. B. GaN, InGaN, AlGaN) verfügen über direkte und abstellbare Bandlücken, die die Ultraviolett- bis Infrarotwellenlängen abdecken, und haben bereits herausragende Leistungen bei LEDs und Laserdioden (LDs) gezeigt. Insbesondere sind GaN-basierte Laserdioden, die auf Siliziumsubstraten (GaN-on-Si LD) wachsen, insbesondere solche, die etwa 405 nm (violett) emittieren, sehr vielversprechende On-Chip-Lichtquellen für Siliziumphotonik. Dieses Wellenlängenband ermöglicht kritische Anwendungen in der Kommunikation mit sichtbarem Licht, Unterwasserkommunikation, Atomuhren, hochdichter optischer Speicherung und Sensing – wodurch das violette LD ein wichtiger Förderer für die photonische Integration der nächsten Generation ist.

1. Leistungsengpässe von violetten LDs und Superlattice-Barriere-Optimierung

Trotz des Nachweises von elektrisch betriebenem Lasern bei Raumtemperatur in GaN-basierten violetten LDs bleibt die Geräteleistung durch mehrere physikalische Faktoren eingeschränkt, die für akademische Forscher besonders interessant sind:

Niedrige Lochinjektionseffizienz: Die Lochbeweglichkeit in mg-dotierten p-Typen-Schichten ist deutlich geringer als die der Elektronenmobilität, und die Löcher haben eine große effektive Masse, was zu einer nicht gleichmäßigen Ladungsträgerverteilung im aktiven Bereich führt und die strahlende Rekombination begrenzt.

Elektronenleckage: Bei hohen Einspritzströmen überwinden Elektronen leicht die Elektronenblockierungsschicht (EBL) und gelangen in den p-Bereich, was zu nicht-strahlender Rekombination und steigendem Schwellenstrom führt.

Polarisationsinduzierte Bandbiegung: Starke spontane und piezoelektrische Polarisationseffekte in GaN-basierten Materialien erzeugen eingebaute elektrische Felder an Quantenwellen-/Barrierengrenzflächen, die die Energiebänder kippen und die Überlappung der Elektron-Loch-Wellenfunktion verringern, was die Leuchtkrafteffizienz verringert.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, haben Forscher neuartige Barrierenstrukturen erforscht, um herkömmliche GaN-Barrieren zu ersetzen. Alahyarizadeh et al. (2022) verglichen numerisch drei Schemata: GaN-Barrieren, AlGaN-Barrieren und AlGaN/InGaN-Supergitterbarrieren. Ihre wichtigsten Erkenntnisse:

Die AlGaN-Barriere erhöht die effektive Elektronenbarriere von ~400 meV auf 569 meV, senkt die effektive Lochbarriere auf 123 meV, was die Lochinjektion und Elektroneneinschluss verbessert – jedoch senkt sie den Schwellenstrom nicht signifikant.

Die AlGaN/InGaN-Supergitterbarriere unterdrückt das interne elektrische Feld aufgrund der reduzierten Polarisationsladungen an den Supergittergrenzflächen effektiv und mildert Bandbiegung. Simulationen zeigen, dass diese Struktur den Schwellenstrom von 16,6 mA auf 12,9 mA senkt (eine ~22 % Verringerung) und gleichzeitig die Ausgangsleistung, die differenzielle Quanteneffizienz und die Steigungseffizienz verbessert.

Physikalischer Mechanismus: Die Supergitterbarriere bildet eine höhere Leitungsbandbarriere, um Elektronenüberlauf zu blockieren, während sie die Valenzbandbarriere senkt, um die Lochinjektion zu erleichtern, wodurch die Strahlungsrekombinationsrate im aktiven Bereich deutlich erhöht wird. Diese Optimierungsrichtung liefert klare experimentelle Hinweise für das Design von epitaxischen Wafers.

2. Violette Laserdioden-Epitaxialwafer-Spezifikationen

Power Wafertech Group bietet GaN-basierte Laserdioden-Epiwafer an, die auf das violette Band abzielen, mit einer dominanten Wellenlänge von 405 nm. Wir unterstützen maßgeschneiderte epitaktische Strukturentwürfe, um vielfältige Forschungsanforderungen zu erfüllen, einschließlich Variationen in Dicke, Zusammensetzung und Dopingprofilen. Die wichtigsten Produktparameter werden im Folgenden zusammengefasst:

3. Häufig gestellte Fragen vom Forschungskunden

F1: Wie ist die Zusammensetzung und die spezifische Mg-Dopingkonzentration der Kontaktschicht im violetten LD-Epiwafer? Gibt es angesichts der präzisen Dickenregelung von MOCVD eine theoretische Designdicke?

A: Zusammensetzung & Doping: Die Kontaktschicht im LD-Epiwafer ist eine p++-Schicht mit einer extrem hohen Mg-Dopingkonzentration; Der genaue Wert hängt vom spezifischen Design ab und kann angepasst werden.

Dicke: Ja, es existiert eine theoretische Designdicke. Für detaillierte Werte wenden Sie sich bitte an unser Vertriebsteam.

F2: Beträgt die Laserwellenlänge der GaN-Laserdiode genau 405 nm?

A: 405 nm ist unsere übliche Bezeichnung für dieses Band. Die tatsächliche Laserwellenlänge liegt typischerweise im Bereich von 400–415 nm, wobei der genaue Wert je nach Materialwachstum und Bausteinfertigungsprozessen leicht variiert.

F3: Welche Methode verwenden Sie derzeit, um GaN-on-Si-Material in Stangenstreifen zu spalten? Zuvor haben wir GaAs-Materialien verarbeitet, indem wir sie auf eine bestimmte Dicke verdünnten → entlang der Spaltrichtung mit einer Spaltmaschine verdünnten → rollten und brechen. Da GaN jedoch viel härter als GaAs ist und das Siliziumsubstrat offenbar keine klar definierte natürliche Spaltebene hat, funktioniert dieselbe Spaltmethode auch für siliziumbasierte GaN-Epiwafer? Oder empfiehlt ihr einen alternativen Ansatz?

A: Dieses Verfahren ist ebenso wirksam für siliziumbasierte GaN-Epiwafer und kann wie beschrieben durchgeführt werden.

Frage 4: Können Sie Lasing-Leistungsdaten (L-I-V-Kurven usw.) basierend auf der LD-Epitaxie nach der Gerätefertigung bereitstellen?

A: Spezifische Laserleistungsdaten (z. B. Schwellenstrom, Ausgangsleistung) hängen vom endgültigen Geräteprozess ab. Wir empfehlen, unser Vertriebsteam direkt für weitere Details zu kontaktieren.

Die AlGaN/InGaN-Supergitterbarriere hat bedeutende Verbesserungen bei GaN-basierten violetten LDs gezeigt und bietet einen realistischen Weg zu leistungsstarken On-Chip-Lichtquellen für Siliziumphotonik. Die Power Wafertech Group bietet anpassbare Epiwafer mit präziser Kontrolle über Polarisationstechnik, Dopingprofile und Bandstruktur und unterstützt akademische und Forschungseinrichtungen bei der Erforschung innovativer Gerätekonzepte – vom Materialwachstum bis zur vollständigen Gerätefertigung.

Referenz:

Alahyarizadeh, G., Amirhoseiny, M., & Khorsandi, M. (2022). Leistungssteigerung tiefvioletter InGaN-Doppelquantenbrunnen-Laserdioden mit quaternärer Supergitterbarrierenstruktur. Journal of Renewable Energy and Environment, 9(1), 106-111.