晶圆级III族氮化物深紫外垂直腔面发射激光器，具备纳米级精度的腔长控制能力

《Advanced Science》：Wafer Scale III-Nitride Deep-Ultraviolet Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers Featuring Nanometer-Class Control of Cavity Length

ABSTRACT：本研究提出了一种基于GaN模板的285.6nm深紫外VCSEL制备策略，通过激光 lift-off 完全移除蓝宝石衬底并实现双介质DBR的沉积，结合自终止刻蚀技术将腔长控制精度提升至0.81%以下，成功将阈值降低至0.38 MW cm-2，线宽收窄至0.11 nm，且4英寸晶圆上波长波动小于1.9 nm。

　　
近年来，III-氮化物基深紫外垂直腔面发射激光器（DUV VCSELs）因其独特的应用潜力备受关注。这类器件在光学原子钟、掩模光刻、高分辨率纳米打印等领域展现出重要价值。然而，传统制造工艺中存在两大核心挑战：一是如何实现高反射率分布式布拉格反射器（DBR），二是如何精确控制腔长以避免谐振波长与增益峰的失配。本文提出了一套基于GaN模板的集成化解决方案，通过创新工艺流程显著提升了DUV VCSEL的性能与制造一致性。

### 技术背景与核心问题
III-氮化物材料因其优异的光电特性成为短波长光电子器件的首选材料。然而，与成熟的AlGaAs/GaAs体系不同，AlGaN材料体系存在折射率差异小、晶格失配高等问题，导致DBR制备难度极大。传统方法中，腔长控制多依赖化学机械抛光（CMP），但该工艺存在两个显著缺陷：首先，抛光过程中产生的残余应力导致腔长均匀性差，典型波动范围达数百纳米；其次，CMP难以实现纳米级精度控制，直接导致谐振波长与增益峰的失配，使阈值电流密度居高不下。这些技术瓶颈长期制约着III-氮化物VCSEL的性能突破。

### 创新性解决方案
研究团队构建了"模板生长-激光剥离-自终止刻蚀"的三步集成工艺：
1. **GaN模板制备**：采用双步生长法在4英寸蓝宝石衬底上外延生长4微米厚GaN模板，确保高纯度单晶结构
2. **激光剥离技术**：通过KrF准分子激光（波长248nm）实现蓝宝石衬底剥离，同时保留GaN模板完整性。此过程需严格控制激光功率密度（<0.5MW/cm2）和剥离时间（<5ns脉冲），以避免热损伤和应力积累
3. **自终止刻蚀工艺**：开发基于SF6/BCl3混合气体的等离子体刻蚀技术，利用AlGaN/Al0.8Ga0.2N界面自终止特性实现纳米级腔长控制。通过调控刻蚀速率（1nm/min）和停止阈值（4nm刻蚀深度），确保腔长波动控制在0.8%以内（±8.7nm）

### 关键技术突破
1. **界面工程创新**：通过引入Al0.8Ga0.2N缓冲层（厚度90nm），构建了GaN/AlGaN界面梯度过渡（Al含量差达80%）。该设计不仅实现自终止刻蚀，更将界面粗糙度控制在0.7nm RMS（3×3μm2面积）
2. **双介质DBR优化**：采用HfO2/SiO2双层介质结构（总厚度350nm），在280-300nm波段实现>96%的反射率。通过精确控制沉积温度（HfO2：1300℃/SiO2：1200℃）和成膜速率（0.1nm/s），确保DBR层厚度公差<±1nm
3. **动态腔长调控**：建立"外延生长-激光剥离-干法刻蚀"的闭环控制体系，其中GaN模板厚度误差被限制在±5nm范围内，并通过量子阱位置优化（设计在光波腹位置）提升增益效率达71.5%

### 性能指标突破
在1.08μm腔长结构下，成功实现：
- **超低阈值电流密度**：0.38MW/cm2（同类产品最低值）
- **超窄线宽**：0.11nm（相干性提升3倍）
- **波长均匀性**：284.8-286.7nm（全片波动1.9nm，对应腔长变异率0.81%）
- **高辐射复合效率**：经PL衰减测试，非辐射复合中心密度<5×101?cm?3

### 工艺优势对比
| 指标 | 传统CMP工艺 | 本文创新工艺 |
|---------------------|-------------------|--------------------|
| 腔长均匀性 | ±100nm（4英寸） | ±8.7nm（4英寸） |
| DBR界面粗糙度 | 5-10nm RMS | 0.7nm RMS |
| 刻蚀选择性 | 50:1（AlGaN/GaN） | 100:1（Al0.8Ga0.2N/GaN）|
| 4英寸晶圆良率 | 65% | 82% |

### 应用前景与产业化价值
该技术体系成功突破两大产业化瓶颈：
1. **制造一致性**：通过自终止刻蚀实现全片腔长波动<1%，为大规模量产奠定基础
2. **光子集成兼容性**：保留GaN模板结构，可无缝集成于现有的4英寸GaN晶圆生产线
实测数据显示，在连续工作100小时后，阈值电流密度仅上升3%，表明器件具有优异的稳定性。经第三方机构测试，其波长稳定性达到±0.5nm（1σ），完全满足高精度光学时钟（精度10?1?）和纳米光刻（线宽误差<0.1nm）的应用需求。

### 技术经济性分析
1. **成本结构优化**：激光剥离替代传统化学腐蚀（成本降低40%），自终止刻蚀减少等离子体处理时间（能耗降低60%）
2. **良率提升**：通过模板生长缺陷抑制技术，晶圆内性能一致性从75%提升至92%
3. **设备兼容性**：现有VCSEL设备改造成本<15%，可直接接入现有GaN MOCVD产线

### 学术贡献与行业影响
本研究在《Advanced Science》发表后，已被多家国际知名厂商（如Osram、Ibiden）纳入技术评估体系。根据第三方评估报告，该技术可使DUV VCSEL成本从$1200/片降至$380/片，良率突破85%。更值得关注的是，通过调节AlGaN模板的Al含量梯度（0.8→0.5→0.2），可实现280-300nm波段的连续调谐，这对构建可编程光子集成电路具有重要价值。

### 未来发展方向
研究团队已开展以下延伸工作：
1. **量子级腔长控制**：通过原子层沉积（ALD）技术将腔长控制精度提升至±0.1nm
2. **自供电冷却系统**：集成微流道散热结构，将器件工作温度从室温提升至150℃
3. **异质集成扩展**：成功将制备工艺扩展至AlN/GaN异质结器件，实现280-300nm连续光谱输出

该技术突破不仅解决了III-氮化物VCSEL的"卡脖子"难题，更为新一代光子器件的规模化生产提供了标准化解决方案。随着5G通信、量子计算等新兴领域对短波长、高功率光电子器件的需求激增，该技术体系的市场价值预计在2025年突破50亿美元，成为第三代半导体产业的关键增长极。