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光學工程
可在硅襯底上“逞技”的InGaN基激光器

   隨著半導體科技的高速發展,基于傳統技術路線來進行芯片與系統之間的數據通信越來越難以滿足更快的通信速度以及更高的系統復雜度的需求。

為打破這一核心技術瓶頸,必須尋找新的信息傳輸載體。“光”被認為是一種有著巨大潛力的超高速傳輸媒介,可用于硅基芯片之間及其與系統之間的數據通信。然而成熟的硅基芯片技術始終存在一個掣肘因素:硅的結構決定了其為間接帶隙半導體,自身難以實現高效發光。

而III-V族化合物半導體則為性能優異的直接帶隙發光材料,特別是第三代半導體氮化鎵(GaN)在發光二極管LED和激光器等發光器件領域已經實現了廣泛應用,為人類的高效節能照明作出了巨大貢獻。該領域的開拓者也因此獲得了2014年諾貝爾物理學獎。


圖1. 硅襯底InGaN基激光器結構示意圖

由此設想,若是能夠在硅襯底上直接生長沉積高質量的GaN材料,則不僅可以借助大尺寸、低成本硅晶圓及其自動化工藝線來大幅度降低GaN基器件的制造成本,還將為激光器等光電子器件與硅基電子器件的系統集成提供一種新的技術路線。

然而,由于GaN與硅襯底之間存在較大的晶格失配,直接在硅襯底上生長GaN材料會在薄膜中引入高密度位錯缺陷。更具挑戰的是GaN的熱膨脹系數約為硅的2倍,在硅襯底上高溫(1000 ℃左右)生長沉積的GaN材料在降溫時傾向于快速收縮,受到硅襯底(緩慢收縮)向外拉扯的巨大張應力,因此GaN材料在降到室溫過程中通常會發生龜裂。高密度的位錯缺陷和微裂紋會嚴重影響材料質量,成為制約器件性能提高的頭等難題。

中科院蘇州納米所楊輝研究員團隊采用應力調控緩沖層方案成功解決了這一極具挑戰性的技術難題,并進而實現了世界上第一支可以在室溫下連續工作的硅襯底InGaN基激光器。該項研究成果于近日刊登在Nature Photonics [doi:10.1038/nphoton.2016.158]上。


圖2. 硅襯底InGaN基激光器測試結果

這一研究工作采用AlN/AlGaN緩沖層結構,有效減小了晶格失配,在降低了材料中的缺陷密度的同時,還成功抑制了因GaN材料與硅之間熱膨脹系數不匹配而常常引起的龜裂,在硅襯底上成功生長了厚度達到6 μm左右的InGaN基激光器結構。通過器件工藝,該團隊成功實現了世界上首支室溫連續電注入條件下激射的硅襯底InGaN基激光器,激射波長為413 nm,閾值電流密度為4.7 kA/cm2

目前,該團隊正致力于進一步提升器件性能及可靠性的研究,以期實現低成本的硅襯底GaN基激光器的產業化,并推進其在硅基光電集成中的應用。


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