环球体育:苏州纳米所在硅衬底InGaN基半导体激光器方面取得重要进展

本文摘要:硅是半导体工业中最稀有的材料。

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硅是半导体工业中最稀有的材料。基于硅的电子芯片广泛应用于日常生活中的各种设备,从智能手机和计算机到汽车、飞机和卫星。随着技术的发展,研究人员发现,芯片和系统之间通过传统电气网络的通信早已无法满足电子设备之间较慢的通信速度和对更简单系统的排斥。为了解决这个问题,光被指出是一种非常有潜力的超高速传输介质,它可以用作硅基芯片和系统之间的数据通信。

但硅作为间接带隙材料,闪烁效率极低,不一定要用作闪烁材料。研究人员已经明确提出使用闪烁效率低的III-V材料作为闪烁材料,在硅衬底上生长或键合,从而构建硅基光电结构。第三族氮化物材料是必需的带隙材料,具有带隙长、化学稳定性强、穿透电场低、热导率高等优点。

它在高效闪烁器件和电力电子器件领域有着广阔的应用前景,是近年来的研究热点。有必要在硅衬底材料上生长氮化镓基激光器,这使得有机构建氮化镓基光电器件和硅基光电器件成为可能。另一方面,自1996年成立以来,InGaN基激光器在20多年的时间里取得了缓慢的发展,已经应用于信息存储、照明、激光显示、红外通信、潜艇通信、生物医学等领域。目前,所有的InGaN基激光器都是用廉价的自支撑氮化镓衬底制造的,这使得它们的应用成为可能。

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硅基片具有成本低、热导率低、晶片尺寸大的优点。如果有必要在硅衬底上制作InGaN基激光器,将有效降低其生产成本,进一步促进其应用。由于GaN材料与硅衬底之间不存在很大的晶格常数失配和热膨胀系数失配,所以需要在硅衬底上生长GaN材料,这样不会造成晶格密度低,容易开裂,因此无法在硅衬底上制作InGaN基激光器。这一研究方向是目前国际上的研究热点,但到目前为止,只有文章报道了硅衬底上InGaN Cusco量子阱闪烁结构在光抽运条件下的激射。

针对这一关键科技问题,中国科学院苏州纳米技术研究所研究员杨辉带领的第三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,有效降低了晶格密度,成功诱导了硅与氮化镓材料热膨胀系数失配导致的裂纹,并在硅衬底上成功生长出厚度超过6m的InGaN基激光结构。晶格密度大于6108cm-2,利用器件技术成功构建了世界上第一台室温可逆电流激射的硅基InGaN激光器。

激射波长为413nm,阈值电流密度为4.7kA/cm2。本项目得到了中国科学院前沿科学教育局、中国科学院试点项目、国家自然科学基金、科技部R&D重点项目、中国科学院苏州纳米技术研究所的支持。感谢加工平台、测试平台、Nano-X的技术反对,相关研究成果于8月15日在国际学术期刊《大自然光子学》 (NaturePhotonics)上在线发表(2016年近期影响因子为31.167)。

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