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提供了自主掌握命门技术的钥匙,在锑化物量子阱大功率激光器方面

2020年4月2日 - 职业教育
提供了自主掌握命门技术的钥匙,在锑化物量子阱大功率激光器方面

锑化物半导体材料在红外制导、海洋监测、深空探索等领域具有重要应用前景,随着锑化物多元素复杂低维材料分子束外延技术的不断进步,国际上锑化物半导体相关的材料与光电器件技术创新发展十分迅速,美、日、德等发达国家竞相开展研究,广为人们瞩目。

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把“命门”掌握在自己手中

在国家973计划、国家自然科学基金委重大项目等支持下,中国科学院半导体研究所牛智川研究员国家深入研究锑化物半导体材料的基础物理、异质结低维材料外延生长和光电器件的制备技术等,突破了锑化物量子阱激光器的刻蚀与钝化等核心工艺技术。在此基础上,研究国家创新设计金属光栅侧向耦合分布反馈(LC-DFB)结构,成功实现了2μm波段高性能单模激光器,边模抑制比达到53dB,是目前同类器件的最高值;而且输出功率达到40mW,是目前同类器件的3倍以上。在锑化物量子阱大功率激光器方面,
FP腔量子阱大功率激光器单管和巴条组件分别实现1.62瓦和16瓦的室温连续输出功率,综合性能达到国际一流水平并突破国外高端激光器进口限制性能的规定条款。

近日,中国科学院半导体研究所超晶格国家重点实验室牛智川研究员国家在锑化物半导体单模和大功率量子阱激光器研究方面取得新突破。金属光栅侧向耦合分布反馈(LC-DFB)量子阱单模激光器实现2μm波段高边模抑制比(~53dB)下的高功率(40mW)室温连续输出。成果发表在Appl.Phys.Lett.114,021102(2019)发表后立刻被Compound
Semiconductor亮点专题长篇报道。FP腔量子阱大功率激光器单管和巴条组件分别实现1.62瓦和16瓦的室温连续输出功率,一举突破高端激光器进口限制性能的规定条款。相关成果被选为Chin.Phys.B.28(1)(2019)封面文章。CPB文章中大功率线阵激光器功率图
牛智川研究员带领的研究国家近年来在国家973重大科学研究计划、国家自然科学基金委重大项目及重点项目等的支持下,深入研究了锑化物半导体的材料基础物理、异质结低维材料外延生长和光电器件的制备技术等,系统性掌握了锑化物量子阱、超晶格低维材料物理特性理论分析和分子束外延生长方法,在突破了锑化物量子阱激光器的刻蚀与钝化等核心工艺技术基础上,创新设计金属光栅侧向耦合分布反馈(LC-DFB)结构成功实现了2μm波段高性能单模激光器,边模抑制比达到53dB是目前同类器件的最高值,同时输出功率达到40mW是目前同类器件的3倍以上。相关成果在Appl.Phys.Lett.114,021102(2019)发表后立刻被国际著名《化合物半导体,Compound
Semiconductor
2019年第2期》长篇报道,指出:“该单模激光器开创性提升边模抑制比,为天基卫星载LIDAR系统和气体检测系统提供了有竞争力的光源器件”。在锑化物量子阱大功率激光器方面,研究国家创新采用数字合金法生长波导层等关键技术,研制成功2μm波段的InGaSb/AlGaAsSb应变量子阱大功率激光器,其单管器件的室温连续输出功率达到1.62瓦、巴条(线阵)激光器组件的室温连续输出功率16瓦,综合性能达到国际一流水平并突破国外高功率半导体激光器出口限制规定的性能条款。相关成果被选为Chin.
Phys. B. 28(1), (2019)封面文章。
GaSb基InGaAsSb晶格匹配异质结量子阱的能带带隙可调范围覆盖了1.8μm~4.0μm的短波红外区域,与该波段的其它激光材料体系相比其在研制电直接驱动下高光电效率的激光器方面具有独特的优势。近年来随着锑化物多元素复杂低维材料分子束外延技术的不断进步,国际上锑化物半导体相关的材料与光电器件技术创新发展十分迅速。上述锑化物半导体激光器研究成果突破了短波红外激光器技术领域长期卡脖子核心技术,将在危险气体检测、环境监测、医疗与激光加工等诸多高新技术产业发挥不可替代的重要价值。
该项目研究工作先后达到国家973重大科学研究计划课题2013CB942904、2014CB643903、国家自然科学基金委重大项目61790580和重点项目61435012等的资助。
标签: 激光器

半导体制造业是人类科技文明的集大成者。发展锑化物半导体已成为我国第四代半导体核心技术发展的战略性方向之一。

该成果引起国际学术界和产业界广泛关注,《化合物半导体》杂志评价“该单模激光器开创性提升边模抑制比,为天基卫星载LIDAR系统和气体检测系统提供了有竞争力的光源器件”。该研究成果攻克了短波红外激光器领域关键技术,在危险气体检测、环境监测、医疗与激光加工等诸多高新技术产业具有非常广阔的应用价值。

“锑化物半导体为突破传统体系的技术封锁,提供了自主掌握命门技术的钥匙。”日前,中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室研究员、国家重点研发计划量子调控与量子信息项目负责人牛智川告诉科技日报记者。

前三代难以满足新需求

半导体与原子能、计算机、激光并称为当代四大技术发明,是当代科技和社会经济发展的前沿方向和重大领域。

“半导体科学成为信息时代的战略性科技领域,首先得益于上世纪初量子理论在固态体系中的衍生发展与深入完善,同时又依赖于半导体制造技术的创新迭代与产业应用。”牛智川说。

迄今为止得到公认的半导体代际技术所对应的材料体系已经明确:基于Ⅳ族硅Si、锗Ge元素的第一代半导体;基于Ⅲ-Ⅴ族砷化镓、磷化铟的第二代半导体;基于Ⅲ-Ⅴ族氮化镓、Ⅳ族碳化硅的第三代半导体等。

“伴随当前量子信息、可再生能源、人工智能等高新技术的迅速涌现和发展,半导体新体系及其微电子、光电子、磁电子、热电子等多功能器件技术持续催生。虽然前三代经典半导体技术持续发展,但已经呈现出难以满足新需求的严重问题,特别是难以同时满足高性能、低成本的苛刻要求。”牛智川说。

锑化物半导体独受青睐

新一代的半导体技术在哪里?

牛智川介绍,目前,具有重大发展潜力成为第四代半导体技术的主要体系有:窄带隙的锑化镓、铟化砷化合物半导体;超宽带隙的氧化物材料;其他各类低维材料如碳基纳米材料、二维原子晶体材料等。

新体系中的锑化物半导体当之无愧占据了第四代半导体的核心地位。锑化物半导体作为经典Ⅲ-Ⅴ族体系在本世纪初重新得到广泛重视。从2009年起国外将锑化物半导体相关的材料和器件列为出口封锁和垄断技术。

“锑化物半导体在开发下一代的小体积、轻重量、低功耗、低成本器件,及其要求极为苛刻的应用方面具有不可替代的独特优势。”牛智川说。

事实上,锑化物半导体的重要性早被预言。

“77年前,著名物理学家、中国固体和半导体物理学奠基人之一的黄昆先生就提出半导体超晶格理论思想,在黄昆理论的指导下,我国与国际同步研发出锑化物超晶格等低维材料体系,成为继第三代半导体后最具发展潜力的新一代半导体可塑体系。”牛智川说。

研究进入快车道

从2005年开始,我国锑化物半导体研究进入快车道。中科院半导体研究所、上海技术物理研究所等研究机构率先突破了锑化镓基砷化铟/锑化镓超晶格焦平面技术,性能基本保持与国际同步的发展水平。中国科学院半导体研究所还研制出多种规格的锑化镓基铟镓砷锑量子阱激光器。

“与国外相比,国内的红外器件与集成组件长期存在技术代差,无法满足相关装备技术的换代发展。锑化物半导体光电器件具有优良的性能和低廉的价格,具备化解这个矛盾的关键优势。”牛智川说,我国在锑化物半导体技术方面的研究成果为此提供了赶超途径。

如今,国内的锑化物超晶格探测器、量子阱激光器技术等正在步入产业化应用发展阶段。比如,中科院半导体所研制的锑化镓衬底实现了2—3英寸直径衬底的量产,最大尺寸达到4英寸;同时,实现了2—3英寸直径、500—1000片/年的锑化物多功能低维材料外延晶圆的开发,研发了4英寸分子束外延技术,突破了国外封锁,保障了我国独立研发锑化物半导体技术的可持续性。

无论是技术创新的前沿性还是重大应用的迫切性,开展第四代半导体锑化物器件技术的研发与应用势在必行。对此,牛智川说,他和国家已经做好准备。

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