1 中国科学院半导体研究所, 北京 100083
2 中国科学院大学材料与光电研究中心, 北京 100049
金刚石优异的物理性质使其成为下一代最有发展潜力的半导体材料之一。目前来看, 基于微波等离子体化学气相沉积的异质外延可能是未来制备大尺寸单晶金刚石的最佳方法。在过去的三十年间, 铱复合衬底上异质外延生长单晶金刚石取得了一定进展, 特别是近几年实现了2英寸(1英寸=2.54 cm)以上的大尺寸自支撑单晶金刚石的生长。本文总结了金刚石异质外延用的衬底, 简要介绍了异质衬底上的偏压增强成核, 详细介绍了目前最成功的铱/氧化物、铱/氧化物层/硅复合衬底, 最后对金刚石异质衬底和异质外延进行了总结, 指出目前存在的问题并给出了一些可能的解决思路。
金刚石 铱复合衬底 半导体 异质外延 偏压增强成核 微波等离子体化学气相沉积 diamond iridium-based composite substrate semiconductor heteroepitaxy bias-enhanced nucleation microwave plasma chemical vapor deposition
1 中国科学院半导体研究所半导体材料科学重点实验室，北京 100083
2 中国科学院大学材料科学与光电技术学院，北京 100049
基于金属有机物化学气相沉积（MOCVD）技术实现了室温连续（CW）输出功率达到瓦级的中波红外量子级联激光器（QCL）。通过MOCVD生长条件优化，实现了高界面质量双声子共振结构材料生长，制备出室温CW功率最高为1.21 W的4.6 μm QCL。具体研究了基于生长的30和40级有源区材料所制备器件的性能，探究了不同级数对器件性能的影响。相比于30级有源区器件，40级有源区器件单位面积等效输出功率没有明显提升，但器件性能随温度的升高迅速下降，这归因于更加显著的热积累效应和外延材料变厚导致的质量恶化。因此，在通过增加有源区级数提升器件功率时，需要充分考虑有源级数、热积累和材料生长质量等因素之间的平衡。MOCVD是半导体材料产业界普遍采用的技术，本研究工作对于提升QCL材料制备效率、推进QCL技术产业化应用具有重要意义。
激光器 中红外 量子级联激光器 金属有机物化学气相沉积 高功率 连续输出 光学学报
2022, 42(22): 2214002
1 中国科学院半导体研究所 半导体材料科学重点实验室, 北京 100083
2 中国科学院大学 材料与光电研究中心, 北京 100049
氮化铝(AlN)是一种重要的超宽禁带半导体材料。本文研究了采用氢化物气相外延(HVPE)方法生长氮化铝的表面形貌演化和生长机理。AlN的制备过程是氮化处理后以700~1 100 ℃的不同温度生长, 得到四组不同温度下的表面形貌。结果表明, 生长温度对AlN的生长形貌和生长模式具有重要的影响。AlN的生长形貌体现在纳米尺度和微米尺度的形貌差异, 该结果归因于受生长温度主导的Al原子的表面迁移能力和位错演化。另外, 在900 ℃生长温度下得到具有倒金字塔结构的V坑形貌。V坑面为{10-11}半极性面, 并遵循三维(3D)生长模式。这种具有半极性面微观形貌的AlN可作为模板进行半极性紫外LED器件结构或其他Ⅲ族氮化物外延生长, 在光电子器件和电子器件研制方面具有广阔的应用前景。
超宽禁带半导体材料 氮化铝 氢化物气相外延 生长温度 表面形貌 ultra-wide bandgap semiconductor aluminum nitride hydride vapor phase epitaxy growth temperature surface morphology
1 中国科学院半导体研究所半导体材料科学重点实验室, 北京 100083
2 中国科学院大学材料科学与光电技术学院, 北京 100049
因量子级联激光器的工作波长可覆盖红外到太赫兹波段,在大气污染检测、工业污染监控、医学诊断、毒品及生化危险品灵敏检测、自由空间通信等领域具有广泛的应用前景。从1994年问世到现在,量子级联激光器已经从最初的实验室原理器件发展到可实用化的红外波段最具发展前景的半导体激光器。本文从量子级联激光器设计思路的演进、工作波长范围的扩展、提高输出功率、实现单模的宽调谐、提高光束质量等方面依次介绍相应的研究进展,最后给出简要总结与展望。
激光器 量子效应 隧穿 量子级联激光器
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of Semiconductor Materials Science, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing Key Laboratory of Low Dimensional Semiconductor Materials and Devices, Beijing 100083, China
2 College of Materials Science and Opto-Electronic Technology, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
We report on a quantum dot quantum cascade detector (QD-QCD), whose structure is derived from a QD cascade laser. In this structure, more ordered InAs QD layers formed in the Stranski–Krastanow growth mode on a thin GaAs buffer layer are incorporated into the active region. This QD-QCD can operate up to room temperature with a peak detection wavelength of 5.8 μm. A responsivity of 3.1 mA/W at 160 K and a detectivity of 3.6 × 108 Jones at 77 K are obtained. The initial performance of the detector is promising, and, by further optimizing the growth of InAs QDs, integrated QD-quantum cascade laser/QCD applications are expected.
230.5590 Quantum-well, -wire and -dot devices 040.3060 Infrared 040.5570 Quantum detectors Chinese Optics Letters
2017, 15(10): 102301
1 中国科学院半导体研究所 半导体材料科学重点实验室, 低维半导体材料与器件北京市重点实验室, 北京100083
2 北京航天控制仪器研究所, 北京100039
为了满足超辐射发光管的短波长应用, 采用InAlGaAs/AlGaAs量子点有源区和干法刻蚀工艺制备了短波长弯曲波导超辐射发光管。在1.6 A脉冲电流注入下, 器件峰值输出功率为29 mW, 中心波长为880 nm, 光谱半高宽为20.3 nm。比较了干法刻蚀工艺和湿法腐蚀工艺对超辐射发光管器件性能的影响。在1.6 A脉冲电流注入下, 湿法腐蚀制备的器件峰值输出功率仅为7 mW。与湿法腐蚀相比, 干法刻蚀可以精确控制波导形状和参数, 降低波导损耗, 有效增大器件输出功率。
超辐射发光管 自组织量子点 干法刻蚀 superluminescent diodes self-assembled quantum dot dry etching
中国科学院半导体研究所 半导体材料科学重点实验室 低维半导体材料与器件北京市重点实验室, 北京 100083
通过MOVPE方法生长了不同Al组分的3块AlxGa1-xN样品, 利用稳态光谱和时间分辨光谱对其样品的光学特性进行了分析。鉴于影响氮化物发光性质的极化电场或局域态的单一机制不能充分解释我们的实验现象, 提出了局域态-内部极化电场竞争的机制。通过对实验数据的分析, 得出如下重要结论: 样品PL峰位蓝移的温度起点基本对应于局域态和极化电场起作用的交替点, PL峰位发生蓝移的温度起点与光强-温度曲线的斜率出现明显变化的温度点一致; 随着温度的升高, 若AlGaN合金样品中PL峰位存在二次蓝移, 则说明样品中电场分布不均匀。
发光强度 局域态 极化电场 温度 AlGaN合金 illuminant intensity local state polarization electric field temperature AlGaN alloy
中国科学院半导体研究所 半导体材料科学重点实验室, 北京100083
量子点红外探测器（QDIP）在红外探测领域具有十分广阔的应用前景，同时由于QDIP的有效载流子寿命长、暗电流低、工作温度高、对垂直入射光响应等优势，近年来高性能QDIP已经成为研究的热点。文章首先简要介绍了QDIP的基本原理，然后重点介绍了目前国际上在提高QDIP性能方面的研究进展，分别从如何降低暗电流、实现多色探测、提高探测率等三个方面进行了讨论。
量子点红外探测器 暗电流 多色探测 探测率 quantum dot infrared photodetectors dark current multi-color detection detectivity
1 中国科学院半导体研究所, 半导体材料科学重点实验室, 北京100083
2 清华大学物理系, 北京100084
由于工业监控和环境检测的需要, 甲烷气体检测日益得到人们的关注。 研究了基于中红外分布反馈量子级联激光器（DFB-QCL）的光声光谱技术, 并应用于痕量甲烷的检测。 自主研发的DFB-QCL室温工作时的激射波长在7.6 μm附近, 覆盖了甲烷的特征吸收谱线1 316.83 cm-1。 待测甲烷气体充入亥姆霍兹光声谐振腔中, DFB-QCL的工作频率为234 Hz、 室温脉冲工作时峰值功率为80 mW。 中红外光经过甲烷吸收后, 产生的声波信号经麦克风检测, 由锁相放大器对信号进行采集并输入计算机进行处理。 按信噪比为1计算, 得到甲烷的探测极限为189 nmol·mol-1。
甲烷 分布反馈 量子级联激光器 光声光谱法 痕量气体检测 Methane Distributed-feedback Quantum cascade laser Photoacoustic spectroscopy Trace gas detection 光谱学与光谱分析
2012, 32(5): 1251
1 中国科学院半导体研究所, 半导体材料科学重点实验室, 北京 100083
2 中国科学院理化技术研究所, 光化学转换与功能材料重点实验室, 北京 100080
采用电化学沉积法分别在不同孔径的阳极氧化铝(AAO)模板上沉积一系列直径不同,排列规则的银纳米阵列。以对氨基苯甲酸(PABA)和三聚氰胺两种分子分别作为探针分子, 研究了银纳米阵列的直径大小对其表面增强拉曼散射(SERS)效果的影响。结果表明, 在波长为514.5 nm的激光激发下, 探针分子的SERS信号强度随银纳米阵列直径的改变而明显变化, 并在银纳米阵列直径约为53 nm时, SERS强度达到最大。利用电磁增强机制对此实验结果进行了分析和解释。
银纳米阵列 表面增强拉曼散射(SERS) 阳极氧化铝模板(AAO) silver nanoarrays surface enhanced Raman scattering (SERS) anodic aluminum oxide (AAO)
