在國家自然科學基金項目(項目編號:61534007,61404156,61522407)等資助下,中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所成功研製出國際上首支矽襯底氮化镓基激光器,相關研究成果以“Room temperature continuous-wave electrically injected InGaN-based laser directly grown on Si(室溫下連續電注入激射的矽襯底氮化镓基激光器)”為題,於2016年8月15日在Nature Photonics發表。
“光”是一種具有巨大潛力的高速傳輸媒介,可用於矽基芯片之間及其與係統之間的數據通信。矽的間接帶隙結構決定了其自身難以高效發光。而III-V族直接帶隙半導體則為性能優異的發光材料,特別是第三代半導體氮化镓(GaN)在二極管LED和激光器等發光器件領域已經得到了廣泛應用,該領域的開拓者也因此獲得了2014年諾貝爾物理學獎。如果能夠在矽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、低成本矽晶圓及其自動化工藝線來大幅度降低GaN基器件的製造成本,還將為激光器等光電子器件與矽基電子器件的係統集成提供一種新的技術路線。
中科院蘇州納米所楊輝、孫錢團隊采用AlN/AlGaN(氮化鋁/鋁镓氮)應力調控緩衝層技術在矽襯底上成功生長出厚度達6μm(微米)左右的GaN基激光器結構,不僅有效抑製了因GaN材料與矽之間熱膨脹係數不匹配而引起的龜裂,而且大幅度降低了因GaN材料與矽之間的晶格失配而導致的高位錯缺陷密度(小於6×108 cm-2),使GaN (002)和(102)等晶麵的X光雙晶搖擺曲線半高寬均小於300 arcsec(角秒),實現了世界上第一支可以在室溫下連續工作的矽襯底GaN基激光器的電注入激射(圖d、e)。激射波長為413 nm(納米)(圖a,b),激光器的脊形尺寸為4 µm×800 µm,閾值電流密度為4.7 kA/cm2 (圖c、f)。目前,該團隊正致力於進一步提升器件性能及可靠性的研究,以期實現低成本矽襯底GaN基激光器的產業化,並推進其在矽基光電集成中的應用。
圖 矽襯底GaN基激光器室溫下電注入激射性能
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