蘇州納米所在硅襯底InGaN基半導體激光器方面取得重要進展

　　硅是半導體行業最常見的材料，基于硅材料的電子芯片被廣泛應用于日常生活的各種設備中，從智能手機、電腦到汽車、飛機、衛星等。隨著技術的發展，研究者發現通過傳統的電氣互聯來進行芯片與系統之間的通信已經難以滿足電子器件之間更快的通信速度以及更復雜系統的要求。為解決這一問題，“光”被認為是一種非常有潛力的超高速傳輸媒介，可用于硅基芯片以及系統間的數據通信。但是，硅作為間接帶隙材料，發光效率極低，難以直接作為發光材料。研究人員提出利用具有高發光效率的III-V族材料作為發光材料，生長或者鍵合在硅襯底上，從而實現硅基光電集成。III族氮化物材料是一種直接帶隙材料，具有禁帶寬度寬、化學穩定性強、擊穿電場高以及熱導率高等優點，在高效發光器件以及功率電子器件等領域有著廣泛的應用前景，近年來已成為一大研究熱點。將InGaN基激光器直接生長在硅襯底材料上，為GaN基光電子器件與硅基光電子器件的有機集成提供了可能。另一方面，自1996年問世以來，InGaN基激光器在二十多年里得到了快速的發展，其應用范圍遍及信息存儲、照明、激光顯示、可見光通信、海底通信以及生物醫療等領域。目前幾乎所有的InGaN基激光器均是利用昂貴的自支撐GaN襯底進行制備，限制了其應用范圍。硅襯底具有成本低、熱導率高以及晶圓尺寸大等優點，如果能夠在硅襯底上制備InGaN基激光器，將有效降低其生產成本，從而進一步推廣其應用。

　　由于GaN材料與硅襯底之間存在著巨大的晶格常數失配和熱膨脹系數失配，直接在硅襯底上生長GaN材料會導致GaN薄膜位錯密度高并且容易產生裂紋，因此硅襯底InGaN基激光器難以制備。該研究方向是目前國際上的研究熱點，但是到目前為止，僅有文章報道了在光泵浦條件下硅襯底上InGaN基多量子阱發光結構的激射。

　　針對這一關鍵科學技術問題，中科院蘇州納米所楊輝研究員領導的III族氮化物半導體材料與器件研究團隊，采用AlN/AlGaN緩沖層結構，有效降低位錯密度的同時，成功抑制了因硅與GaN材料之間熱膨脹系數失配而常常引起的裂紋，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，位錯密度小于6×108 cm-2，并通過器件工藝，成功實現了世界上首個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。

　　該項目得到中國科學院前沿科學與教育局、中國科學院先導專項、國家自然科學基金委、科技部重點研發計劃、中科院蘇州納米所自有資金的資助，并且感謝中科院蘇州納米所加工平臺、測試平臺以及Nano-X在技術上的支持。相關研究成果于8月15日在線刊登在國際學術期刊《自然·光子學》(Nature Photonics)雜志上(2016年最新影響因子31.167)。

　　硅襯底InGaN基半導體激光器

　　硅襯底InGaN基激光器結構示意圖

　　硅襯底InGaN基激光器性能測試結果