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光学工程
可在硅衬底上“逞技”的InGaN基激光器

   随着半导体科技的高速发展,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。

为打破这一核心技术瓶颈,必须寻找新的信息传输载体。“光”被认为是一种有着巨大潜力的超高速传输媒介,可用于硅基芯片之间及其与系统之间的数据通信。然而成熟的硅基芯片技术始终存在一个掣肘因素:硅的结构决定了其为间接带隙半导体,自身难以实现高效发光。

而III-V族化合物半导体则为性能优异的直接带隙发光材料,特别是第三代半导体氮化镓(GaN)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。该领域的开拓者也因此获得了2014年诺贝尔物理学奖。


图1. 硅衬底InGaN基激光器结构示意图

由此设想,若是能够在硅衬底上直接生长沉积高质量的GaN材料,则不仅可以借助大尺寸、低成本硅晶圆及其自动化工艺线来大幅度降低GaN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。

然而,由于GaN与硅衬底之间存在较大的晶格失配,直接在硅衬底上生长GaN材料会在薄膜中引入高密度位错缺陷。更具挑战的是GaN的热膨胀系数约为硅的2倍,在硅衬底上高温(1000 ℃左右)生长沉积的GaN材料在降温时倾向于快速收缩,受到硅衬底(缓慢收缩)向外拉扯的巨大张应力,因此GaN材料在降到室温过程中通常会发生龟裂。高密度的位错缺陷和微裂纹会严重影响材料质量,成为制约器件性能提高的头等难题。

中科院苏州纳米所杨辉研究员团队采用应力调控缓冲层方案成功解决了这一极具挑战性的技术难题,并进而实现了世界上第一支可以在室温下连续工作的硅衬底InGaN基激光器。该项研究成果于近日刊登在Nature Photonics [doi:10.1038/nphoton.2016.158]上。


图2. 硅衬底InGaN基激光器测试结果

这一研究工作采用AlN/AlGaN缓冲层结构,有效减小了晶格失配,在降低了材料中的缺陷密度的同时,还成功抑制了因GaN材料与硅之间热膨胀系数不匹配而常常引起的龟裂,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。通过器件工艺,该团队成功实现了世界上首支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

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,以期实现低成本的硅衬底GaN基激光器的产业化,并推进其在硅基光电集成中的应用。


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