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中科大云顶集团网站孙海定课题组提出基于AlGaN-SiC平台的紫外单片集成系统
作者:赵锐 来源:云顶集团网站 阅读次数:10 日期:2020-09-11
  

继第一代SiGe单质半导体材料、第二代GaAsInP化合物半导体材料之后,GaNSiC和金刚石作为第三代宽带隙半导体材料已经成为微电子器件、光电子器件研究领域的前沿和热点。其中GaN材料具有宽的直接带隙(3.4eV)、高的电子迁移率、良好的热传导性、稳定的化学性质,在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有广阔的应用前景。值得一提的是,通过合金化改变GaN材料中的Al组分,AlxGa1-xN的禁带宽度可以在3.4eV6.2eV之间连续可调,覆盖了近紫外到深紫外波段,是一种理想的短波长发光材料,但是,生长高质量的GaN材料仍并非易事。由于缺乏大尺寸、质优价廉的单晶AlN衬底,在便宜易得的蓝宝石衬底上的异质外延仍然是当前GaN基紫外光电器件制备的主流方法。研究人员发现,蓝宝石与GaN的晶格失配高达13%,在外延生长GaN时会产生大的缺陷,另外,蓝宝石的热膨胀系数比GaN大,冷却时易产生应力,甚至会导致GaN层开裂。相对于其它用于外延GaN的衬底材料,同为第三代宽带隙半导体的SiC材料具有很高的热导率(490W m-1 K-1),并且与GaN之间存在较小的晶格失配率(3.1%),此外,SiC本身可通过掺杂实现良好的导电率,使其可直接作为电极材料来实现垂直型光电器件的制备,因此,在外延生长GaN的过程中,SiC衬底表现出较大的优势。此外,SiC材料已经具有相对成熟的体单晶,因此采用同质外延可获得高质量的外延薄膜,为高性能SiC基光电器件的制备奠定了基础。

云顶集团网站孙海定课题组通过回顾近些年来在SiC衬底上实现的AlGaN基紫外光电器件研究成果(包括紫外发光二极管、激光器和探测器),提出了一种可用于非视距光通讯AlGaN-SiC紫外单片集成系统。这种光电单片集成系统相对于传统分立的光--光处理方式降低了复杂度,提高了可靠性。将不同结构、多种功能的器件固定在一个统一的基片上从而实现单片集成,这能够以更低的成本构建一个具有更多节点的全新的网络结构。虽然目前光电集成的发展仍处于初级阶段,但是其成为光电器件的主流发展趋势已成必然,并且也是当前光通讯领域的研究热点。该综述从对SiC衬底上生长AlGaN材料的具体外延机理的分析开始,首先介绍了在SiC衬底上使用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)和分子束外延(MBE)两种生长技术获得的高质量AlGaN外延薄膜的工作,文中指出通过对SiC衬底的气相刻蚀、等离子体稳定等预处理以及优化生长过程中气压、V/III比、温度等条件可实现对外延薄膜质量的有效调控;接着汇总了近些年来在SiC衬底上实现的不同结构AlGaN基紫外发光二极管、激光器和探测器以及SiC基单光子探测器等分立器件的研究成果,该部分指出不同功能的分立器件是整个集成平台的重要组成部分,需要高质量的外延材料和合理的结构设计以实现可靠的功能化模块;最后讨论了目前紫外光电器件在单片集成方面的进展,以及在未来发展过程中所需要关注的问题和可能面临的挑战。该研究成果将会为利用紫外光电器件等分立元件实现系统级的光电集成多功能平台提供新的思路。相关结果以Ultraviolet optoelectronic devices based on AlGaN-SiC platform: Towards monolithic photonics integration system为题,在线发表在Nano EnergyDOI:10.1016/j.nanoen.2020.105149)。





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