中国苏州纳米技术与纳米仿生研究所（SINANO）已在硅上使用n型脊形波导（nRW）制造了氮化铟镓（InGaN）发射紫光的激光二极管（LDs），这证明了更低的电阻和更高的散热性pRW-LD的性能等。通常，工艺限制表明基于InGaN的激光二极管中的RW位于器件的p侧。由于p-GaN的电阻比n-GaN的电阻大得多，因此出现了热和电问题。

该团队还包括来自中国清华大学的研究人员，他们认为nRW-LD器件可以与大规模的硅基互补金属氧化物半导体（CMOS）主流电子产品完全兼容，并且可以用于单片集成硅中。光子学是一种高效的片上光源，用于高速数据通信和计算。

镁（Mg）是III型氮化物结构中常见的p型掺杂剂。这在产生p型导电性所需的生长和激活退火方面施加了许多限制。首先，镁倾向于在反应室中徘徊。这种“记忆效应”意味着随后的层将具有一定程度的镁掺入，无论是否需要。因此，记忆效应倾向于导致在最后生长p型层的情况下设计生长过程。

而且，掺有Mg的GaN / InGaN被掺入氢钝化（使其无效）。p型层活化的关键部分在于驱散该氢，通常是通过在退火过程中升高温度，以促进这些原子从结构中扩散出来。这就要求氢在离开材料之前要走的距离尽可能短。

图1：nRW-LD结构的横截面图。（a）在Si（111）衬底上的nRW-LD外延结构的扫描透射电子显微照片。（b）InGaN / GaN量子阱的放大图像。（c）结合到Si（100）晶片上的器件的截面扫描电子显微照片。

RW-LD的III-氮化物异质结构在具有（111）晶体取向的硅上生长。采取措施控制穿线错位密度。激光二极管结构由夹在波导层之间的五个InGaN量子阱组成（图1）。不掺杂n侧波导和最近的包层50nm，避免电流在脊形波导结构中扩散。

将激光二极管结构的p面朝下键合到具有p型欧姆接触电极表面的精确Si（100）晶片上。通过湿蚀刻去除Si（111）生长衬底。进一步的干法等离子体蚀刻去除了AlN / AlGaN生长缓冲结构。倒置的RW-LD结构使包层的n型侧面比通常的要薄得多，约0.5μm。在非倒置结构中，n覆层位于厚GaN模板的顶部，具有“反导”效果。倒置RW-LD覆层的p侧较厚，为1.2μm。

研究人员评论说：“降低具有低导热率的n型AlGaN覆层的厚度可以大大降低由于AlGaN和GaN模板之间的晶格失配而导致的热阻和拉伸应力，从而提高了器件性能和制造效率让。”

最终将键合材料制成10μmx800μmRW-LD器件（图2）。p电极的有效面积估计为300μmx800μm。

图2：基于InGaN的（a）Si（111）上的pRW-LD和（b）Si（100）上的nRW-LD的示意图结构。

反向漏电流为〜10-7A以-5V反向偏压。开启电压约为3.0V。与Si（111）上的正常pRW-LD相比，偏置电压的增加会给反向RW-LD注入更高的电流。这反映了在较宽的p型区域上较低的串联电阻。

反向nRW-LD注入350mA时的差分电阻为1.2Ω，而普通pRW器件为2.3Ω。这将工作电压从1.41V降低到4.15V。较低的电压意味着减少了焦耳热，从而延迟了激光性能的热降解。反向器件的热阻估计为18.2K / W，而普通的p脊激光二极管的反向电阻为26.5K / W。在350mA下连续波（CW）操作下的结温分别为48.5°C和73.5°C。结温低25°C归因于焦耳热降低和散热路径长度缩短。

由于研究人员在晶圆键合工艺中使用了镍锡焊料，导热率相对较低，因此还有改进的余地。铜基替代品可能是实现更高热性能的一种方法。

在100mA注入时，nRW-LD结构的半峰全宽（FWHM）光谱线为12nm（图3）。在320mA时，线宽缩小到0.8nm，在阈值处给出的激光模式波长为418.3nm。

图3：电注入下nRW-LD的电致发光。（a）在室温（RT）的脉冲电流（占空比为0.4％，重复频率为10kHz）下的光谱。（b）光谱的峰值波长和半峰宽与RT下的脉冲注入电流的关系。（c，d）远场模式观察到0.8x和1.2x阈值电流。（e）在室温下，光输出功率与脉冲和CW注入电流的关系。

相对于在CW操作下的最新InGaN激光二极管，4.37kA / cm2的阈值电流密度被认为是很高的。在观察到“输出功率急剧下降”之前，寿命也只有5分钟。研究人员归咎于高6x108/ cm2螺纹位错密度和未优化的有源区。螺纹位错提供了非辐射复合中心和泄漏电流路径，从而降低了效率和可靠性。一些研究表明，通过将螺纹位错减少到106/ cm 2，可以将激光二极管的寿命增加到10,000小时。