南京邮电大学氮化镓基PCSEL专利解析:突破蓝光激光器技术瓶颈,助力高端应用发展
在蓝光激光器领域,材料选择与器件结构设计长期制约着其性能提升与产业化推进。2023年,南京邮电大学提出“一种氮化镓基光子晶体面发射蓝光激光器及制备方法”(专利号:CN116316063A)发明专利,通过创新包覆层材料体系与制备工艺,为实现低阈值、高效率的氮化镓基光子晶体面发射激光器(PCSEL)提供了关键技术方案,对激光雷达、激光显示及光通信等高端领域的技术升级具有重要推动作用。
核心结构创新:多孔GaN包覆层优化光场约束与耦合效率
该专利的核心技术突破在于采用多孔氮化镓(GaN)替代传统氮化铝镓(AlGaN)作为包覆层,通过调控材料折射率,实现光场在器件内部的精准约束与高效耦合。其器件结构自下而上依次为衬底(蓝宝石或硅衬底)、底层GaN、多孔GaN层、n型AlGaN层(AlGaNn)、n电极、量子阱有源层、p型AlGaN层(AlGaNp)、p型GaN层(GaNp)及p电极,构建了兼顾光场限制与电流注入的高效器件架构。
传统氮化镓基PCSEL多采用高折射率AlGaN作为包覆层,导致光场易分散至非核心区域,难以与有源层及光子晶体层形成有效耦合;而多孔GaN具备低折射率且折射率可控的特性,可将光场主要约束于多孔GaN层上方的量子阱有源区与光子晶体区,显著提升有源层与光子晶体层的谐振光场耦合强度,为器件实现低阈值激射、高发光效率奠定核心基础。
关键制备工艺:简化流程并规避量子阱损伤风险
为实现上述创新结构,专利设计了6步标准化制备工艺,在降低工艺复杂度的同时,有效避免量子阱有源区损伤,保障器件性能稳定性:
1.外延生长构建基础结构:在蓝宝石或硅衬底上,通过外延技术依次生长底层GaN、重掺n型GaN层、n型AlGaN层、量子阱有源区层、p型AlGaN阻挡层及p型GaN层,形成完整的材料基础体系。
2.制备光子晶体结构层:采用电子束光刻(EBL)技术制作光子晶体掩膜层,随后通过干法刻蚀工艺形成光子晶体孔洞阵列,去除掩膜层后完成光子晶体层制备,全程仅在器件表面操作,无需深入材料内部。
3.转化多孔GaN包覆层:通过“光刻介质保护电化学腐蚀”复合工艺,将前期生长的重掺n型GaN层精准转化为多孔GaN层,实现包覆层材料的功能化定制。
4.制作p电极:利用光刻与剥离(liftoff)工艺,在p型GaN层表面制备p电极,确保电流高效注入。
5.形成mesa隔离结构:通过光刻定义窗口,采用干法刻蚀工艺刻蚀至n型AlGaN层,形成mesa(台面)结构,优化器件电流分布均匀性。
6.制作n电极:再次通过光刻与剥离工艺,在n型AlGaN层表面制备n电极,完成整个器件的电极体系搭建。
该工艺体系的核心优势在于省去传统技术中的二次外延步骤:传统氮化镓基PCSEL为在GaN内部制备空气孔光子晶体,需采用复杂的二次外延工艺,不仅提升生产成本与技术难度,还易引入材料缺陷;而本专利通过表面刻蚀与电化学腐蚀的组合工艺,既简化流程,又避免了刻穿量子阱有源区导致的量子效率下降问题,保障器件核心性能。
技术优势:针对性解决行业三大核心痛点
相较于现有氮化镓基PCSEL技术,该专利通过结构与工艺创新,针对性解决行业关键痛点:
1.提升光场耦合效率:低折射率多孔GaN包覆层实现光场精准约束,大幅提升有源层与光子晶体层的谐振光场耦合强度,有效降低器件激射阈值,提升发光效率。
2.降低产业化门槛:取消二次外延等复杂工艺,简化制备流程,降低设备投入与生产难度,更适配规模化量产需求。
3.保障器件性能稳定性:工艺全程不损伤量子阱有源区,避免加工过程对发光核心与电流注入均匀性的影响,确保器件长期工作稳定性。
应用场景:适配高端领域性能需求
PCSEL器件本身具备显著优势:相较于边发射激光器(EEL),其二维集成便捷性更强、谐振腔尺寸更小、光束质量更优;相较于垂直腔面发射激光器(VCSEL),其输出功率更高、光斑特性更优、发散角更小。结合本专利的技术突破,该器件可进一步满足多高端领域的核心需求:
激光雷达领域:低阈值与高光束质量特性,可提升雷达探测精度与测距范围,适配自动驾驶、环境监测等场景。
激光显示领域:高效蓝光输出可优化显示面板的亮度与色彩还原度,为Mini/MicroLED等新一代显示技术提供核心器件支撑。
光通信领域:小尺寸与高集成性优势,可满足高密度光通信模块的需求,提升数据传输速率与系统集成度。
该专利通过材料、结构与工艺的协同创新,为氮化镓基PCSEL技术的性能提升与产业化推进提供了关键支撑,不仅填补了现有技术的短板,更为我国在蓝光激光核心器件领域的技术突破奠定基础,有望加速相关高端应用场景的产业化进程。
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