光邮电通音信高校硕士生在《自然•光子学》发

作者:威尼斯人科学

图2 GaN基紫外激光器的P-I曲线

硅衬底InGaN基激光器性能测试结果

《Nature Photonics》网站在线刊登截图

 

图1 GaN基紫外激光器激射光谱

硅是半导体行业最常见的材料,基于硅材料的电子芯片被广泛应用于日常生活的各种设备中,从智能手机、电脑到汽车、飞机、卫星等。随着技术的发展,研究者发现通过传统的电气互联来进行芯片与系统之间的通信已经难以满足电子器件之间更快的通信速度以及更复杂系统的要求。为解决这一问题,“光”被认为是一种非常有潜力的超高速传输媒介,可用于硅基芯片以及系统间的数据通信。但是,硅作为间接带隙材料,发光效率极低,难以直接作为发光材料。研究人员提出利用具有高发光效率的III-V族材料作为发光材料,生长或者键合在硅衬底上,从而实现硅基光电集成。III族氮化物材料是一种直接带隙材料,具有禁带宽度宽、化学稳定性强、击穿电场高以及热导率高等优点,在高效发光器件以及功率电子器件等领域有着广泛的应用前景,近年来已成为一大研究热点。将InGaN基激光器直接生长在硅衬底材料上,为GaN基光电子器件与硅基光电子器件的有机集成提供了可能。另一方面,自1996年问世以来,InGaN基激光器在二十多年里得到了快速的发展,其应用范围遍及信息存储、照明、激光显示、可见光通信、海底通信以及生物医疗等领域。目前几乎所有的InGaN基激光器均是利用昂贵的自支撑GaN衬底进行制备,限制了其应用范围。硅衬底具有成本低、热导率高以及晶圆尺寸大等优点,如果能够在硅衬底上制备InGaN基激光器,将有效降低其生产成本,从而进一步推广其应用。

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  GaN基VCSEL正在受到国际上高度关注,众多著名科学家,跨国企业和知名高校也在进行该器件的研究。张保平教授课题组长期以来一直进行GaN基VCSEL的研究,解决了激光剥离、减薄抛光以及金属键合等关键技术,是大陆唯一实现光泵以及电泵激射的研究室,并且主要器件性能指标处于国际领先水平。

赵德刚带领的团队长期致力于GaN基光电子材料和器件研究,对材料生长机理、材料物理和器件物理有自己的理解和认识,发现和解决了一系列激光器的关键问题:掌握了InGaN量子阱局域态调控和缺陷抑制方法,提高了发光效率;阐明了碳杂质的补偿机制,获得了高质量的p-GaN材料;设计出优化的器件结构,减小了吸收损耗和电子泄漏;利用变程跳跃的物理机制,实现了良好的p-GaN欧姆接触;解决了同质外延中衬底翘曲的难题,采用MOCVD生长出高质量的器件结构。在此基础上,与中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所进行工艺合作,最终实现了GaN紫外激光器的室温电注入激射。条宽为10 μm、腔长为600 μm的激光器阈值电流密度为1.6-2.0 kA/cm2,激射波长为392-395 nm,连续激射输出光功率可达80 mW。图1为紫外激光器的激射光谱,图2为P-I曲线,图3为紫外激光器激射时照到复印纸上形成的蓝色荧光光斑(紫外光人眼看不见,紫外激光照到复印纸上会发出蓝色荧光)。

针对这一关键科学技术问题,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员杨辉领导的III族氮化物半导体材料与器件研究团队,采用AlN/AlGaN缓冲层结构,有效降低位错密度的同时,成功抑制了因硅与GaN材料之间热膨胀系数失配而常常引起的裂纹,在硅衬底上成功生长了厚度达到6 μm左右的InGaN基激光器结构,位错密度小于6×108 cm-2,并通过器件工艺,成功实现了世界上首个室温连续电注入条件下激射的硅衬底InGaN基激光器,激射波长为413 nm,阈值电流密度为4.7 kA/cm2。

  孙逸本、博都在我校就读。2006年考入我校,2010年保送成为刘胜教授的博士研究生。2013年赴中科院苏州纳米所孙钱研究员课题组交流学习。目前主要从事GaN基宽禁带半导体光电子器件关键技术的研究。

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