Avec la croissance explosive du big data, de l’informatique en nuage et de l’intelligence artificielle, le trafic mondial de données augmente de façon exponentielle, imposant des exigences toujours plus élevées sur les débits de transmission et la bande passante. La photonique au silicium est considérée comme la technologie principale pour les interconnexions embarquées de nouvelle génération en raison de sa large bande passante, de sa grande vitesse et de sa faible consommation d’énergie. Cependant, la bande interdite indirecte du silicium rend l’émission efficace de lumière intrinsèquement difficile, ce qui pousse la recherche de matériaux luminescents pouvant être directement intégrés sur les plateformes en silicium.

Les semi-conducteurs en nitrure III (par exemple, GaN, InGaN, AlGaN) possèdent des bandes passantes directes et ajustables couvrant les longueurs d’onde ultraviolettes à infrarouges, et ont déjà démontré des performances exceptionnelles sur les LED et les diodes laser (LD). En particulier, les diodes laser à base de GaN cultivées sur substrats en silicium (GaN-on-Si LD), en particulier celles émettant autour de 405 nm (violet), sont des sources lumineuses très prometteuses sur puce pour la photonique au silicium. Cette bande de longueurs d’onde permet des applications critiques dans les communications en lumière visible, la communication sous-marine, les horloges atomiques, le stockage optique haute densité et la détection — faisant du LD violet un facilitateur clé pour l’intégration photonique de nouvelle génération.

1. Goulots d’étranglement de performance des LD violettes et optimisation des barrières super-réseau

Malgré la démonstration de lasers électriques à température ambiante dans les LD violettes à base de GaN, la performance des dispositifs reste limitée par plusieurs facteurs physiques qui intéressent particulièrement les chercheurs universitaires :

Faible efficacité d’injection de trous : La mobilité des trous dans les couches de type p dopées au Mg est bien inférieure à celle des électrons, et les trous ont une masse effective importante, ce qui conduit à une distribution non uniforme des porteurs dans la région active et limite la recombinaison radiative.

Fuée électronique : Sous des courants d’injection élevés, les électrons dépassent facilement la couche de blocage électronique (EBL) et s’échappent dans la région p, provoquant une recombinaison non radiative et une augmentation du courant seuil.

Courbure de bande induite par la polarisation : De forts effets de polarisation spontanée et piézoélectrique dans les matériaux à base de GaN génèrent des champs électriques intégrés aux interfaces puits quantiques/barrières, inclinant les bandes d’énergie et réduisant le chevauchement de la fonction d’onde électron-trou, ce qui dégrade l’efficacité lumineuse.

Pour relever ces défis, les chercheurs ont exploré de nouvelles structures de barrières pour remplacer les barrières conventionnelles de GaN. Alahyarizadeh et al. (2022) ont comparé numériquement trois schémas : les barrières GaN, les barrières AlGaN, et les barrières superlatrale AlGaN/InGaN. Leurs principales conclusions :

La barrière AlGaN élève la barrière effective des électrons de ~400 meV à 569 meV tout en abaissant la barrière effective des trous à 123 meV, améliorant l’injection de trous et le confinement des électrons — sans toutefois réduire significativement le courant seuil.

La barrière Superréseau AlGaN/InGaN supprime efficacement le champ électrique interne grâce à la réduction des charges de polarisation aux interfaces du superréseau et atténue la courbure de bande. Les simulations montrent que cette structure réduit le courant seuil de 16,6 mA à 12,9 mA (une réduction de ~22 %) tout en améliorant simultanément la puissance de sortie, l’efficacité quantique différentielle et l’efficacité des pentes.

Mécanisme physique : La barrière du superréseau forme une barrière de bande de conduction plus élevée pour bloquer le débordement des électrons, tout en abaissant la barrière de la bande de valence pour faciliter l’injection de trous, augmentant ainsi significativement le taux de recombinaison radiative dans la région active. Cette direction d’optimisation fournit une orientation expérimentale claire pour la conception des plaquettes épityxiales.

2. Spécifications du wafer épitaxial de diode laser violet

Power Wafertech Group propose des épiwafers à diode laser à base de GaN ciblant la bande violette, avec une longueur d’onde dominante de 405 nm. Nous soutenons la conception de structures épitaxiaux personnalisées pour répondre à diverses exigences de recherche, y compris des variations d’épaisseur, de composition et de profils de dopage. Les principaux paramètres du produit sont résumés ci-dessous :

3. Foire aux questions posées par un client de recherche

Q1 : Quelle est la composition et la concentration spécifique de Mg de dopage de la couche de contact dans l’épiwafer LD violet ? Étant donné le contrôle précis de l’épaisseur du MOCVD, existe-t-il une épaisseur de conception théorique ?

R : Composition et dopage : La couche de contact dans l’épiwafer LD est une couche p++ avec une concentration de dopage de Mg extrêmement élevée ; La valeur exacte dépend du design spécifique et peut être adaptée.

Épaisseur : Oui, il existe une épaisseur de conception théorique. Pour des valeurs détaillées, veuillez contacter notre équipe commerciale.

Q2 : La longueur d’onde de laser de la diode laser GaN est-elle exactement de 405 nm ?

R : 405 nm est notre désignation habituelle pour cette bande. La longueur d’onde réelle du laser se situe généralement entre 400 et 415 nm, la valeur exacte variant légèrement selon les détails de croissance des matériaux et les procédés de fabrication des dispositifs.

Q3 : Quelle méthode utilisez-vous actuellement pour cliquer du matériau GaN-on-Si en bandes de barre ? Nous avons précédemment traité les matériaux de GaAs en : diluant à une certaine épaisseur → en marquant le long du sens de la fendeur avec une machine à clivager → en roulant et en cassant. Cependant, étant donné que le GaN est beaucoup plus dur que le GaAs et que le substrat en silicium semble manquer d’un plan de clivage naturel bien défini, la même méthode de clivage fonctionne-t-elle pour les épilettes GaN à base de silicium ? Ou recommandez-vous une approche alternative ?

R : Ce procédé est tout aussi efficace pour les épilettes GaN à base de silicium et peut être réalisé comme décrit d’habitude.

Q4 : Pouvez-vous fournir des données de performance de laser (courbes L-I-V, etc.) basées sur l’épitaxie LD après fabrication de l’appareil ?

R : Les données spécifiques de performance de laser (par exemple, courant seuil, puissance de sortie) dépendent du processus final de l’appareil. Nous recommandons de contacter directement notre équipe commerciale pour plus de détails.

La barrière superlattice AlGaN/InGaN a démontré des améliorations significatives dans les LD violettes basées sur GaN, offrant une voie viable vers des sources lumineuses embarquées à haute performance pour la photonique au silicium. Power Wafertech Group fournit des épiwafers personnalisables avec un contrôle précis de l’ingénierie de polarisation, des profils de dopage et de la structure des bandes, soutenant les institutions académiques et de recherche dans l’exploration de concepts innovants de dispositifs — de la croissance des matériaux à la fabrication complète des dispositifs.

Référence :

Alahyarizadeh, G., Amirhoseiny, M., & Khorsandi, M. (2022). Amélioration des performances des diodes laser double puits quantiques InGaN violet profond avec structure de barrières superlacertiques quaternaires. Revue des énergies renouvelables et de l’environnement, 9(1), 106-111.