Wafer Scale III-Nitride Deep-Ultraviolet Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers Featuring Nanometer-Class Control of...

科学分野:

• オプトエレクトロニクス・フォトニクス
• 半導体材料科学
• ナノテクノロジー

背景:

• AlGaNベースの深紫外垂直共振器面発光レーザー（DUV VCSEL）は、光原子時計やマスクレスフォトリソグラフィなどのアプリケーションに不可欠である。
• デバイス性能は、共振波長と利得ピークのデチューニングを引き起こすキャビティ長変動によって著しく妨げられる。

研究 の 目的:

• 4インチウェーハ全体で均一なナノメートルクラスのキャビティ長制御を可能にするDUV-VCSEL作製戦略を提案し、実証すること。
• エピタキシャルプロセスによってキャビティ長を正確に制御することにより、デチューニング問題を最小限に抑えること。

主な方法:

• サファイア基板をGaNテンプレートから除去するためのウェーハスケールレーザーリフトオフプロセスにより、誘電体分布ブラッグ反射鏡（DBR）の堆積スペースを作成した。
• 80%のAl組成差を持つシャープなGaN/AlGaN界面を実現し、100:1の選択性を持つ自己終端エッチングを可能にした。
• ダブル誘電体DBRを利用した285.6 nmの光励起DUV VCSELを作製した。

主要な成果:

• 4インチウェーハ全体でナノメートルクラスのキャビティ長均一性を実証し、変動は0.81%（波長変動1.9 nm）に留まった。
• 作製されたDUV VCSELは、記録的な低さである0.38 MW cm^-2の閾値電力密度を達成した。
• 作製されたデバイスは、0.11 nmの狭い線幅を示した。

結論:

• 提案されたDUV-VCSEL戦略は、精密なエピタキシャル制御を通じてキャビティ長デチューニングの問題を効果的に解決する。
• このアプローチにより、性能が向上し閾値が低減されたDUV VCSELのウェーハスケール作製が可能になる。
• この結果は、重要なアプリケーションにおける高度なDUV光電子デバイスへの道を開く。