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摘要: 中科院苏州纳米技术与纳米仿生所研究员杨辉团队在硅上研制出第三代半导体氮化镓基激光器,这也是世界上第一支可以在室温下连续工作的硅衬底氮化镓基激光器。相关研究成果近日刊登在《自然—光子学》。  随着半导体 ...
      中科院苏州纳米技术与纳米仿生所研究员杨辉团队在硅上研制出第三代半导体氮化镓基激光器,这也是世界上第一支可以在室温下连续工作的硅衬底氮化镓基激光器。相关研究成果近日刊登在《自然—光子学》。
  随着半导体科技的高速发展,科技工作者发现基于传统技术路线来进行芯片与系统之间的数据通信越来越难以满足更快的通信速度以及更高的系统复杂度的需求。第三代半导体氮化镓在发光二极管LED和激光器等发光器件领域已经实现了广泛应用,为人类的高效节能照明作出了巨大贡献。
  然而,由于第三代半导体氮化镓的热膨胀系数约是硅的两倍,在硅衬底上高温(1000℃左右)生长沉积的氮化镓材料在降温时倾向于快速收缩,受到硅衬底向外拉扯的巨大张应力,因此氮化镓材料在降到室温过程中通常会发生龟裂,产生的微裂纹和其他缺陷严重影响材料质量和器件性能。
  在硅衬底上直接生长沉积高质量的第三代半导体氮化镓材料,不仅可以借助大尺寸、低成本硅晶圆及其自动化工艺线大幅度降低氮化镓基器件的制造成本,还将为激光器等光电子器件与硅基电子器件的系统集成提供一种新的技术路线。
  中科院苏州纳米所杨辉、孙钱团队采用AlN/AlGaN(氮化铝/铝镓氮)应力调控缓冲层技术在硅衬底上成功生长出厚度达6μm(微米)左右的GaN基激光器结构,不仅有效抑制了因GaN材料与硅之间热膨胀系数不匹配而引起的龟裂,而且大幅度降低了因GaN材料与硅之间的晶格失配而导致的高位错缺陷密度(小于6×108 cm-2),使GaN (002)和(102)等晶面的X光双晶摇摆曲线半高宽均小于300 arcsec(角秒),实现了世界上第一支可以在室温下连续工作的硅衬底GaN基激光器的电注入激射(图d、e)。激射波长为413 nm(纳米)(图a,b),激光器的脊形尺寸为4 µm×800 µm,阈值电流密度为4.7 kA/cm2 (图c、f)。目前,该团队正致力于进一步提升器件性能及可靠性的研究,以期实现低成本硅衬底GaN基激光器的产业化,并推进其在硅基光电集成中的应用。

图 硅衬底GaN基激光器室温下电注入激射性能


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