在國家自然科學(xué)基金項目(項目編號:61534007,61404156,61522407)等資助下,中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所成功研制出國際上首支硅襯底氮化鎵基激光器,相關(guān)研究成果以“Room temperature continuous-wave electrically injected InGaN-based laser directly grown on Si(室溫下連續(xù)電注入激射的硅襯底氮化鎵基激光器)”為題,于2016年8月15日在Nature Photonics發(fā)表。
“光”是一種具有巨大潛力的高速傳輸媒介,可用于硅基芯片之間及其與系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信。硅的間接帶隙結(jié)構(gòu)決定了其自身難以高效發(fā)光。而III-V族直接帶隙半導(dǎo)體則為性能優(yōu)異的發(fā)光材料,特別是第三代半導(dǎo)體氮化鎵(GaN)在二極管LED和激光器等發(fā)光器件領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用,該領(lǐng)域的開拓者也因此獲得了2014年諾貝爾物理學(xué)獎。如果能夠在硅襯底上直接生長沉積高質(zhì)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(tǒng)集成提供一種新的技術(shù)路線。
中科院蘇州納米所楊輝、孫錢團隊采用AlN/AlGaN(氮化鋁/鋁鎵氮)應(yīng)力調(diào)控緩沖層技術(shù)在硅襯底上成功生長出厚度達6μm(微米)左右的GaN基激光器結(jié)構(gòu),不僅有效抑制了因GaN材料與硅之間熱膨脹系數(shù)不匹配而引起的龜裂,而且大幅度降低了因GaN材料與硅之間的晶格失配而導(dǎo)致的高位錯缺陷密度(小于6×108 cm-2),使GaN (002)和(102)等晶面的X光雙晶搖擺曲線半高寬均小于300 arcsec(角秒),實現(xiàn)了世界上第一支可以在室溫下連續(xù)工作的硅襯底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,該團隊正致力于進一步提升器件性能及可靠性的研究,以期實現(xiàn)低成本硅襯底GaN基激光器的產(chǎn)業(yè)化,并推進其在硅基光電集成中的應(yīng)用。
圖 硅襯底GaN基激光器室溫下電注入激射性能
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