由于GaN材料與硅襯底之間存在著巨大的晶格常數(shù)失配和熱膨脹系數(shù)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(chǎn)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(fā)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(shù)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(xiàn)了世界上首個室溫連續(xù)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。
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
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(fā)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。
硅是半導體行業(yè)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(wèi)星等。隨著技術的發(fā)展，研究者發(fā)現(xiàn)通過傳統(tǒng)的電氣互聯(lián)來進行芯片與系統(tǒng)之間的通信已經(jīng)難以滿足電子器件之間更快的通信速度以及更復雜系統(tǒng)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(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信。
但是，硅作為間接帶隙材料，發(fā)光效率極低，難以直接作為發(fā)光材料。研究人員提出利用具有高發(fā)光效率的III-V族材料作為發(fā)光材料，生長或者鍵合在硅襯底上，從而實現(xiàn)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(wěn)定性強、擊穿電場高以及熱導率高等優(yōu)點，在高效發(fā)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(fā)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(yī)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(yōu)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(chǎn)成本，從而進一步推廣其應用。
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