“光”是一种具有巨大潜力的高速传输媒介,可用于硅基芯片之间及其与系统之间的数据通信。硅的间接带隙结构决定了其自身难以高效发光。而III-V族直接带隙半导体则为性能优异的发光材料,特别是第三代半导体氮化镓(GaN)在二极管LED和激光器等发光器件领域已经得到了广泛应用,该领域的开拓者也因此获得了2014年诺贝尔物理学奖。如果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。

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