GaN半导体激光器灾变性光学镜面损伤建模仿真技术开发和应用

GMPT, 2026/05/18

导读

  近日，广东工业大学集成电路学院张紫辉教授、田康凯博士团队在高功率GaN基蓝光激光器可靠性建模仿真研究领域取得研究进展。相关研究成果以"Numerically investigating the impact of high-k buried field-plate termination on the catastrophic mirror failure for GaN-based laser diodes"为题，发表于IEEE旗下的光电子领域权威期刊《IEEE Journal of Quantum Electronics》。

图1. 论文首页

研究背景

  GaN基蓝光激光器凭借其短波长、高能量密度等优势，在高密度光存储、无线光通信、工业制造及移动激光投影等领域展现出广阔的应用前景。随着应用需求的快速增长，市场对具有更高光输出功率和更高电光转换效率的GaN基蓝光激光器需求大幅提升。近年来，高功率GaN基蓝光激光器取得了显著进展，2022年已有研究报道了13.2 W的输出功率纪录。然而，如何在提升功率的同时保证器件的长期可靠性，仍是当前实际应用面临的巨大挑战。影响器件可靠性的因素有很多，包括外延层退化、谐振腔退化、欧姆接触退化以及键合线退化等。其中，灾变性光学镜面损伤（COMD）被认为是最主要的失效机制之一。在高光功率密度下，激光器腔面会发生氧化、碳沉积等现象，导致器件永久失效。传统研究认为COMD主要与腔面温度急剧升高有关，但其背后的缺陷物理机制尚不明确，尤其是不同种类、不同能级及不同浓度的表面缺陷如何影响载流子行为，缺乏系统性的理论解释。

创新研究

  针对上述问题，研究团队采用国产自主开发的Nuwa TCAD软件，建立了三维电-光-热及缺陷相关的载流子注入与复合多物理场仿真模型，并创新性地提出在激光器腔面下方引入高k HfO₂埋入式场板终端结构（见图2）。在传统的激光器结构中，空穴易扩散到有缺陷的腔面区域，并产生大量的非辐射复合。相比之下，在所提出的埋入式结构中，由于HfO₂（$\epsilon \approx 25\backslash varepsilon\; \backslash approx\; 25$）材料具有较高的相对介电常数，使得下方p-GaN（$\epsilon \approx 8.9\backslash varepsilon\; \backslash approx\; 8.9$）层承受更强的电场，从而在价带处形成势垒高度，有效阻止空穴向腔面缺陷区域扩散，这有利于减少缺陷相关的复合，进而避免了COMD的发生。

图2. (a)激光器结构的三维示意图；(b, c)分别为在x-y平面和x-z平面的二维横截面示意图；（d, e）分别为在y-z平面中参考器件和提出器件的二维横截面示意图；插图展示了位于HfO₂埋入式场板终端下方的p-GaN层中的沿z方向的放大能带图；E_c和E_v分别表示导带和价带

  通过对比传统器件（器件A）与所提出的高k HfO₂埋入式场板终端结构（器件B）在1 A注入电流下的电学特性，研究团队验证了高k HfO₂埋入式场板终端的有效性（见图3）。在所提出结构中，HfO₂使下方p-GaN层电场增强。从能带图可见，传统器件的腔面区域价带向上弯曲，势垒高度为-451.83 meV，加剧空穴向腔面扩散；而所提出结构的价带势垒高度达+96.74 meV，有效抑制了空穴扩散。空穴浓度分布图进一步证实了这个结论，传统器件中有大量空穴扩散至腔面，而所提出结构则显著减少了空穴向腔面的扩散且提升了腔内空穴浓度，从而增强了在p-EBL层附近量子阱中的受激辐射复合率，实现了更低的阈值电流和更高的激光功率。尽管因有效注入面积减小导致正向电压略有上升，但整体性能显著提升。

图3. (a)在注入电流为1A时，器件A和B在y=7.915 μm处沿z方向的电场分布。插图是器件A电场分布的放大图。在注入电流为1A时，(b1)器件A和(b2)器件B在x=125 μm和y=7.915 μm处p-GaN层的z方向能带图。(c)在注入电流为1A时，器件A和B在x=125 μm和y=7.2 μm处p-WG层的z方向空穴浓度分布。(d)在注入电流为1A时，器件A和B在y=7.2 μm处靠近镜面（z=0 μm）的空穴浓度分布。插图分别展示了器件A和B在x-y平面内的二维空穴浓度分布。(e)在注入电流为1A时，器件A和B在x=125 μm和y=7.145 μm处靠近p-EBL层的量子阱内z方向的受激辐射复合率分布。(f)器件A和B在不同注入电流下的激光输出功率和工作电压

  研究团队还建立了缺陷相关的载流子注入与复合的多物理场模型，揭示了浅能级受主型缺陷与浅能级施主型缺陷对GaN基FP激光器腔面行为的不同影响（见图4）。研究发现，浅能级受主型缺陷会捕获电子，形成带负电的中心，吸引空穴向腔面扩散，显著增强腔面处的非辐射复合，进而产生大量复合热，形成热-缺陷正反馈，最终触发COMD。相反，浅能级施主型缺陷会释放电子，形成带正电的中心，能够将空穴推离腔面区域，反而起到抑制COMD的作用。

图4. (a) $\Phi_h$和(b)激光输出功率分别随受主型表面缺陷能级的变化而变化；(c) $\Phi_h$和(d)激光输出功率分别随施主型表面缺陷能级的变化而变化。图中的插图分别展示了受主型和施主型缺陷是否带电的示意图。电子占据的缺陷用水平粗线表示，未占据的缺陷用细线表示。E_c、E_v、E_Fi和E_F分别表示导带、价带、本征费米能级和空穴的费米能级

  缺陷诱导的非辐射复合所产生的复合热，以及由此引起的腔面局部温度升高，是引发COMD的关键因素之一。腔面温度升高会进一步产生更多缺陷中心，加剧复合热释放，形成强烈的自加热效应，最终导致镜面失效。为揭示这一物理机制，研究团队设计了器件A8和B8，其物理模型综合考虑了焦耳热、复合热和光吸收热的影响。对比了3 A电流下有无高k HfO₂场板终端的器件温度分布（见图5）发现，传统器件的前腔面温度高达354.09 K，最高温出现在距腔面约100 μm处；而采用高k HfO₂埋入式场板终端后，前腔面温度降至352.17 K，腔面区域平均温度降低了约7~8 K。这主要是因为高k绝缘终端有效抑制了载流子向腔面扩散，从而同时减少了焦耳热和缺陷诱导的复合热。由此可见，高k HfO₂埋入式场板终端能够显著降低腔面温度，有效抑制灾变性光学镜面损伤，提升激光器可靠性。

图5. 在注入电流为3 A时，(a)器件A8和(b)器件B8在y=7.145 μm处的x-z面温度分布，以及(c)在3 A电流下的沿z方向的温度分布

总结与展望

  本研究通过建立腔面区域缺陷相关的载流子注入与复合物理模型，系统揭示了浅能级缺陷类型对灾变光学镜面损伤的影响规律，并提出了有效的抑制方案。研究表明，高k HfO₂埋入式场板终端结构能够形成价带势垒，有效阻止空穴向缺陷腔面扩散，从而降低腔面温度、抑制热诱导退化，最终提高灾变光学镜面损伤阈值，增强器件可靠性。研究团队还指出，进一步优化光学限制层可以抑制光学泄漏，还将继续提升激光器的性能。更重要的是，该技术方案具有良好的普适性，可推广至介电常数小于HfO₂的其他半导体材料体系。

论文信息

  Zhang Q, Tian K, Chu C, et al. Numerically investigating the impact of high-k buried field-plate termination on the catastrophic mirror failure for GaN-based laser diodes[J]. IEEE Journal of Quantum Electronics, 2026.
  论文链接：https://doi.org/10.1109/JQE.2026.3665619