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半導(dǎo)體材料體系的迭代更新一直緊密關(guān)聯(lián)著高新技術(shù)的發(fā)展。第一代半導(dǎo)體材料主要為硅(Si)與鍺(Ge),第二代半導(dǎo)體材料主要為砷化鎵(GaAs)與磷化銦(InP),第三代半導(dǎo)體材料主要為碳化硅(SiC)與氮化鎵(GaN)。隨著前三代半導(dǎo)體材料及由其制備的典型器件相繼得到廣泛應(yīng)用,微電子、通信、量子信息、人工智能、碳中和等高新技術(shù)獲得了巨大的發(fā)展驅(qū)動(dòng)力,并實(shí)現(xiàn)變革性突破;與此同時(shí),高新技術(shù)的快速發(fā)展也對(duì)半導(dǎo)體器件的性能和功耗等提出了更高的要求,促進(jìn)著半導(dǎo)體器件的迭代更新。因此,如何發(fā)展實(shí)現(xiàn)兼具高性能、低功耗、低成本的第四代半導(dǎo)體材料器件技術(shù),已成為國(guó)際前沿技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和重點(diǎn)。
第四代半導(dǎo)體材料器件技術(shù)的潛在目標(biāo)材料體系主要包括:窄帶隙的銻化鎵(GaSb)與砷化銦(InAs)、超寬帶隙的氧化鎵(Ga2O3)與氮化鋁(AlN)、各種低維碳基與二維材料。其中,銻化物半導(dǎo)體材料是指以鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)等Ⅲ族元素以及砷(As)、銻(Sb)等Ⅴ族元素為基礎(chǔ)組成的二元、三元、四元及五元化合物材料,具有紅外發(fā)光、能帶可調(diào)的物理特性,是天然晶格匹配的材料體系,與傳統(tǒng)的激光與探測(cè)材料相比,更是具有晶格匹配性好、均勻性好、單片基片尺寸大、半導(dǎo)體制備工藝兼容性高等獨(dú)特優(yōu)勢(shì),發(fā)展?jié)摿薮?,在成像、遙感、傳感、氣體探測(cè)等諸多方面具有重要用途,同時(shí)也是國(guó)際同行公認(rèn)的新一代紅外中長(zhǎng)波段激光、探測(cè)、半導(dǎo)體光電集成芯片的首選材料體系,為各種新型功能芯片器件的研究提供了極大的發(fā)展空間。
目前,基于InGaAsSb/AlGaAsSb材料的銻化物Ⅰ型量子阱結(jié)構(gòu)已能實(shí)現(xiàn)2~3微米半導(dǎo)體激光器的室溫連續(xù)瓦級(jí)功率輸出,基于GaInSb/AlSb材料的銻化物Ⅱ型帶間級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)已能實(shí)現(xiàn)3~4微米半導(dǎo)體激光器的室溫連續(xù)高功率輸出,其波長(zhǎng)在低溫下可延伸拓展至10微米,基于InAs/GaSb材料的二類超晶格結(jié)構(gòu)的探測(cè)器更是實(shí)現(xiàn)了近紅外到數(shù)十微米甚長(zhǎng)波的整個(gè)紅外區(qū)域的完整覆蓋。此外,銻化物半導(dǎo)體材料具有小的電子與空穴質(zhì)量,室溫載流子遷移率遠(yuǎn)超前三代半導(dǎo)體材料體系,在實(shí)現(xiàn)超低功耗、超高速的微電子集成電路器件方面具有無可比擬的優(yōu)勢(shì),而其良好的熱電性能,則使得各類含銻元素的晶體材料在熱電制冷器件研究中展現(xiàn)出不可替代的應(yīng)用前景。
在國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目及重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目等的長(zhǎng)期支持下,中科院半導(dǎo)體研究所牛智川研究員團(tuán)隊(duì)聚焦銻化物新材料體系及新器件,深入開展銻化物低維材料能帶調(diào)控研究,突破了復(fù)雜低維結(jié)構(gòu)大尺寸外延生長(zhǎng)的技術(shù)難題,發(fā)展出多功能、多系列銻化物光電子器件的制備技術(shù)。研究團(tuán)隊(duì)從經(jīng)典半導(dǎo)體能帶理論出發(fā),創(chuàng)新提出了銻化物數(shù)字合金短周期超晶格勢(shì)壘結(jié)構(gòu),發(fā)展出分子束外延技術(shù)并實(shí)現(xiàn)銻化物低維材料原子級(jí)高精度可控高重復(fù)性外延生長(zhǎng),攻克了銻化物多元復(fù)雜化合物系列激光器的制備工藝難題,成功研制了多款高性能銻化物紅外半導(dǎo)體激光器,其波長(zhǎng)能夠覆蓋2~4微米波段,技術(shù)水平處于國(guó)際一流梯隊(duì)。
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短周期超晶格勢(shì)壘銻化物
應(yīng)變量子阱高功率激光器
作為大氣窗口的重要波段之一,2~4微米紅外波段不僅具有光傳輸優(yōu)勢(shì),而且包含眾多的氣體分子特征吸收峰,具有高靈敏光吸收特性,而據(jù)此衍生出的制導(dǎo)、激光雷達(dá)、醫(yī)學(xué)儀器、激光加工、環(huán)境監(jiān)測(cè)等多種光電系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展更離不開半導(dǎo)體紅外激光器等核心器件的支撐。進(jìn)入21世紀(jì)以來,銻化物分子束外延材料技術(shù)獲得一系列重要突破,并迅速引發(fā)銻化物光電器件的研究熱潮,銻化物半導(dǎo)體激光器技術(shù)日益呈現(xiàn)出重大的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。
傳統(tǒng)銻化物結(jié)構(gòu)有源區(qū)價(jià)帶帶階會(huì)隨著銦組分的增加而逐漸降低,進(jìn)而導(dǎo)致其在長(zhǎng)波長(zhǎng)處出現(xiàn)嚴(yán)重的載流子泄露以及發(fā)光效率下降。為解決這一難題,研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出了AlSb/AlAs/AlSb/GaSb短周期超晶格數(shù)字合金勢(shì)壘與漸變層新型量子阱結(jié)構(gòu):通過在量子阱兩端增加二元材料短周期超晶格勢(shì)壘,利用超晶格薄層材料形成的微帶勢(shì)壘實(shí)現(xiàn)對(duì)空穴載流子的有效限制,成功解決了四元合金AlGaAsSb體結(jié)構(gòu)量子阱材料的組分精確控制、有源區(qū)價(jià)帶空穴限制不足的難題,提高了2~3微米波段的激光發(fā)光效率,同時(shí)采用二元超晶格材料構(gòu)建了與四元合金材料相同的有效折射率,構(gòu)建形成2微米波段大功率高效率數(shù)字合金量子阱激光器結(jié)構(gòu),其最大光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到27.5%,插頭效率超過15%,激光器單管功率提高至1.62瓦,巴條(Bar)功率超過16瓦,在相關(guān)指標(biāo)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)銻化物大功率激光器技術(shù)封鎖的突破。在此基礎(chǔ)上,研究團(tuán)隊(duì)通過不斷優(yōu)化設(shè)計(jì),在2021年實(shí)現(xiàn)2.043瓦的單管室溫連續(xù)輸出功率,這也是目前該指標(biāo)的國(guó)際最高記錄。
在銻化物長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器方面,2015年研究團(tuán)隊(duì)通過在有源區(qū)中引入高銦組分和AlGaInAsSb五元合金勢(shì)壘,以犧牲導(dǎo)帶帶階的代價(jià)提高價(jià)帶帶階,將銻化物Ⅰ類量子阱光致發(fā)光的波長(zhǎng)拓展到3.83微米,同年實(shí)現(xiàn)了2.4微米激光器的室溫連續(xù)激射。在隨后的幾年中,研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了2~3微米激光器的室溫連續(xù)激射,其中2.6微米激光器的室溫連續(xù)激射功率為325毫瓦,2.75微米激光器的室溫連續(xù)輸出功率為60毫瓦,這也是國(guó)內(nèi)首次基于銻化物Ⅰ型量子阱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的2~3微米半導(dǎo)體激光器的完整覆蓋。
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銻化物帶間級(jí)聯(lián)激光器和單模激光器
帶間級(jí)聯(lián)激光器是一種介于傳統(tǒng)雙極型帶間躍遷激光器與單極型量子級(jí)聯(lián)激光器之間的混合型激光器,既具有帶間躍遷無需聲子參與的優(yōu)點(diǎn),又可通過載流子的隧穿躍遷實(shí)現(xiàn)單個(gè)電子發(fā)生多次躍遷并產(chǎn)生多個(gè)光子,具有很高的量子效率。帶間級(jí)聯(lián)激光器通過帶間躍遷來發(fā)射光子,能夠較好地避免由量子級(jí)聯(lián)激光器中子帶間光聲子輻射而引發(fā)的非輻射復(fù)合,具有更低的閾值電流密度和更高的特征溫度。此外,由于其有源區(qū)的激射波長(zhǎng)主要由量子阱的寬度決定,因此在外延層的設(shè)計(jì)中可以采用成熟的材料結(jié)構(gòu),通過調(diào)整阱寬來獲得更大范圍的激光波長(zhǎng),尤其在3~4微米波段與Ⅰ型量子阱結(jié)構(gòu)相比具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。
研究團(tuán)隊(duì)基于維加德定律(Vegard’s Law)以及8帶k?p模型,對(duì)銻化物多元化合物材料的晶格常數(shù)、禁帶寬度、價(jià)帶帶階差、折射率等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算,并在此基礎(chǔ)上,對(duì)AlSb/InAs/InGaSb/InAs的“W”型二類量子阱開展了深入研究:模擬了其能帶結(jié)構(gòu)、導(dǎo)帶與價(jià)帶帶階差、能級(jí)位置與發(fā)光波長(zhǎng)、波函數(shù)分布,并計(jì)算了其在電壓下量子阱的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂(QFLS)、載流子注入濃度、光增益;分析了二類量子阱帶間級(jí)聯(lián)激光器的結(jié)構(gòu)和工作原理,優(yōu)化了帶間級(jí)聯(lián)激光器采用的“W”型量子阱的襯底溫度,并通過調(diào)整Ⅴ/Ⅲ比,解決了“W”型量子阱中InGaSb空穴阱的As并入問題;通過調(diào)整InAs電子阱的厚度來調(diào)節(jié)“W”型量子阱的發(fā)光波長(zhǎng),驗(yàn)證了其可覆蓋整個(gè)中紅外波段;設(shè)計(jì)和模擬了各個(gè)功能區(qū)之間的過渡層,并對(duì)全器件結(jié)構(gòu)的晶圓片進(jìn)行了表征;此外,在優(yōu)化刻蝕條件的基礎(chǔ)上,確定了半導(dǎo)體工藝制程,實(shí)現(xiàn)了晶圓到實(shí)際器件的制備,并設(shè)計(jì)了中紅外帶間級(jí)聯(lián)激光器的腔面膜,最終實(shí)現(xiàn)帶間級(jí)聯(lián)激光器的室溫連續(xù)工作,其工作波長(zhǎng)為3.5微米,閾值電流密度為267安培/平方 厘米(A/cm2) ,鍍膜后輸出功率為55毫瓦。該項(xiàng)成果填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在中紅外波段銻化物帶間級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)激光器方面的技術(shù)空白。
在氣體檢測(cè)、量子通信等領(lǐng)域中,高性能的銻化物激光種子源都具有重要的應(yīng)用價(jià)值。為此,研究團(tuán)隊(duì)深入研究了銻化物側(cè)耦合分布反饋半導(dǎo)體激光器:2016年通過全息曝光技術(shù),實(shí)現(xiàn)了銻化物單模激光器的室溫連續(xù)工作,輸出功率為10毫瓦,邊模抑制比(SMSR)為24分貝;2018年完成銻化物的剝離(Lift-off)工藝開發(fā),實(shí)現(xiàn)了邊模抑制比為35分貝的單模激光;2019年通過優(yōu)化金屬光柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備工藝,實(shí)現(xiàn)了室溫連續(xù)輸出功率為40毫瓦、邊模抑制比為53分貝的單模激光,相關(guān)成果發(fā)表在《應(yīng)用物理快報(bào)》(Applied Physics Letters),之后國(guó)際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)雜志《化合物半導(dǎo)體》(Compound Semiconductor)給出了“該類型激光器為天基星載雷達(dá)系統(tǒng)和氣體檢測(cè)系統(tǒng)提供了有競(jìng)爭(zhēng)力的光源器件”的評(píng)價(jià);2021年,研究團(tuán)隊(duì)通過進(jìn)一步優(yōu)化三階側(cè)壁光柵分布反饋結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了室溫連續(xù)輸出功率為60毫瓦的單模激光,并將最大邊模抑制比提高至57分貝,這標(biāo)志著研究團(tuán)隊(duì)在銻化物單模激光器的研究工作已經(jīng)處于國(guó)際領(lǐng)先水平。
如今,銻化物材料在2~4微米波段的中紅外激光愈發(fā)表現(xiàn)出不可替代的關(guān)鍵性作用,其二類超晶格材料在近紅外到遠(yuǎn)紅外焦平面探測(cè)器的研發(fā)過程中也實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展和典型應(yīng)用。圍繞紅外激光和探測(cè)技術(shù)發(fā)展而來的第四代銻化物半導(dǎo)體器件也已展現(xiàn)出向高性能、低功耗、低成本發(fā)展的巨大潛力,而在關(guān)鍵光電器件技術(shù)開發(fā)方面的不可替代性更是其能夠成為國(guó)際前沿技術(shù)研究焦點(diǎn)的重要原因。以中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所為代表的國(guó)內(nèi)科研單位通過多年的技術(shù)積累和攻關(guān),逐漸形成了從銻化物材料的概念、理論研究、材料生長(zhǎng)優(yōu)化、器件設(shè)計(jì),到制備工藝開發(fā)、集成光電芯片制造及封裝測(cè)試的全產(chǎn)業(yè)、全國(guó)產(chǎn)化鏈條。在國(guó)家重大需求牽引、科技創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、國(guó)際一流技術(shù)水平支撐的合力帶動(dòng)下,我國(guó)第四代銻化物半導(dǎo)體技術(shù)已實(shí)現(xiàn)從原始概念到器件的制備,并正在漸次實(shí)現(xiàn)由實(shí)驗(yàn)室研究向批量化生產(chǎn)及工業(yè)化廣泛應(yīng)用的階段性轉(zhuǎn)換。
致謝:感謝國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目“銻化物低維結(jié)構(gòu)中紅外激光器基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)”(項(xiàng)目編號(hào):61790580)的支持。
本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技縱覽》2021年10月刊。
專家簡(jiǎn)介
牛智川:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員、國(guó)家杰出青年基金獲得者。
徐應(yīng)強(qiáng):中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員。
張宇:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所副研究員。
楊成奧:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所助理研究員。
陳益航:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究生。
王天放:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究生。
余紅光:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究生。
石建美:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究生。
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