旭化成、名古屋大学、Crystal IS合作开发271.8nm波长的深紫外铝氮化镓铝激光二极管
来自日本和美国的研究人员声称，迄今为止报道的电流注入激光二极管（LD）的最短波长。271.8nm的发射波长使其处于100-280nm的深紫外线（UV-C）范围内。以前的UV激光二极管报告仅限于315-400nm UV-A范围。
该设备由旭化成公司，日本名古屋大学和美国的Crystal IS合作开发，该设备使用低位错密度的氮化铝（AlN）衬底生长氮化铝镓（AlGaN）层。大多数报道的短波长激光二极管使用碳化硅，蓝宝石或独立式氮化镓作为生长衬底。
该团队在p侧使用了无意掺杂的分布式极化感应掺杂（DPD）包层，旨在降低内部损耗，提高空穴电导率和提高空穴注入率。就产生可移动空穴而言，通常的AlGaN镁掺杂性能非常差。此外，使用离子化杂质会产生光和带电载流子的散射中心，这会对性能产生不利影响。
UV-C发射设备可能具有广泛的应用范围：论文中提到了生化传感，小颗粒检测，消毒，医疗和表面监测。这些非常短的波长能够破坏生物化学物质，例如DNA，具有对细菌和病毒病原体进行消毒和水净化的潜力。
研究人员使用金属有机化学气相沉积（MOCVD）在直径2英寸（0001）的AlN衬底上生长了激光二极管结构（图1）。来自晶体IS的单晶衬底中的位错密度在10 3 -10 4 / cm 2的范围内。9nm发光单量子阱设计为发射270nm波长的UV-C光。
图1：制造的UV-C激光二极管结构示意图。
0.32μm分布的极化掺杂p侧包层由Al x Ga 1-x N组成，Al含量从100％到70％不等。渐变会影响电荷极化梯度，从而产生并传导可移动空穴。p接触区由进一步降级为纯GaN的镁掺杂AlGaN组成。器件的n侧在接触层和包层中均使用大于1x10 19 / cm 3的杂质浓度掺杂了硅。外延层与下面的AlN衬底伪变形应变。
激光二极管器件是用4μm宽的脊形波导制造的。脊刻蚀暴露出其上沉积了钒基金属的n接触层。在n接触金属之前进行二氧化硅钝化。p触点以及其他布线和探针垫由镍/金金属组成。
将制造的激光二极管沿<11-20>方向切割成400μm长的腔。所得的（1-100）平面刻面涂有五对介电层，这些介电层对由二氧化ha和二氧化硅组成。据研究人员称，涂层的反射率超过90％。高反射率是降低阈值电流的关键因素。激光二极管在50ns宽度和0.01％占空比的脉冲操作下进行了测试。相对于p电极面积，在大约0.4A注入时，光输出功率呈非线性增加，密度为25kA / cm 2。高于该阈值，在271.8nm波长附近出现了一个尖锐的光谱峰。该阈值出现在13.8V的正向电压下。
发射的光偏振为横向电（TE）：虽然横向磁（TM）组件在0.2A和0.5A之间具有恒定的11nm半峰全宽（FWHM），但TE值为6.6nm和0.41nm ，分别（图2）。
图2：在（a）0.5A和（b）0.2A正向电流下具有TE和TM极化的边缘发射光谱。（a）中的插图显示了在0.5A下具有最高波长分辨率的TE模式的光谱。研究人员将13.8V的“极低”阈值电压归因于DPD结构，该结构在p侧提供了平坦的价带分布，从而可以在没有势垒的情况下注入空穴。他们还推测，波导层p侧的高Al含量材料会在导带中形成电子阻挡势垒。
研究小组评论说：“考虑到梯度结构的松弛也会阻碍极化掺杂，整个结构的假晶生长，包括在单晶AlN衬底上的DPD，可使极化感应电荷最大化以实现高空穴电导率。”
在MOCVD生长过程中发现了一个问题：表面上凸出的六边形金字塔形小丘，密度为6x10 3 / cm 2。小丘似乎在278nm波长附近贡献了一个额外的发射峰。在包括这些小丘之一的设备中，无法实现激光发射。
研究人员认为，基于透射电子显微镜分析，小丘起因于AlN基体中预先存在的螺纹位错。螺纹位错为载流子重组提供了非辐射途径，并可能对电流的流向产生不利影响。
为了发射激光，小丘还影响光学结构，将光散射出波导模式。研究小组总结说：“低位错密度的高质量AlN基板似乎是开发UV-C LD的基础。”
