新型GaInAsNSb低维半导体光电子材料与器件
项目简介
“新型GaInAsNSb低维半导体光电子材料与器件”项目由中国科学院半导体研究所、北京邮电大学承担完成。本项目主要以GaAs基InGaAs量子点、GaInNAsSb量子阱材料为对象，研究受限电子、光子体系中基础物理现象，突破外延生长技术，自主创新设计优化器件结构，制备室温工作高性能光电器件。
采用压力光荧光谱结合计算研究大尺寸量子点压力系数及其能带结构参数, 观察到量子点激子带间跃起行为，提出优化的亚单原子层循环变温生长技术，获得1.0－1.3微米面密度高、均匀性好InAs量子点。研制成功1.06微米谐振腔探测器和1.33微米室温连续工作量子点激光器。受到英国物理学会等专业刊物的评价。
利用光谱证明量子点微腔光学模式分裂而非RABI分裂物理。提出改变探测角实现探测波长现场调谐方案，解决谐振腔增强型探测器现场应用的难题障碍，获发明专利。制作成功1.06微米量子点微腔波长可调谐光电探测器, 性能达到国际先进水平。
实验揭示N在Ga(In)As中并入和退火效应机制、电子有效质量、能带结构等重要物理性质。提出GaInAsNSb/GaAs超晶格能带模型，揭示Sb、N元素对发光强度的作用机制。优化GaInNAs/GaAs量子阱In、N组分配比，大幅度拓展其室温发光波长。自主设计N等离子源瞬态控制装置，成功解决N气源重复控制问题，获得室温发光波长1.2-1.6微米高质量GaNAs、GaInNAs、GaInNAsSb等量子阱。
成功制备1.30微米GaInNAs/GaAs量子阱室温连续激射边发射激光器、室温激射垂直腔面发射激光器。成功研制出高性能1.55微米GaInNAs/GaAs多量子阱谐振腔增强探测器，室温连续激射1.586微米GaInNAsSb/GaAs量子阱边发射激光器，受到国际同行评价，是国际上GaAs基1.55微米器件重要进展之一。
本成果发表的44篇SCI论文被他人引用405次。国际会议邀请报告7篇。国内会议邀请报告5篇。申报专利11项。多篇国际专刊评价。
项目背景
隨着IT数椐量的飞速增长，无论是用于主干光网络还是光纤接入网的光电收发模块都希望通过单片集成化和单片(而非单一管芯)工艺制作来最大限度地提高速度，增加带宽，降低成本，以满足光网络向更高速度和更宽带宽方向发展的需求。目前商用InP基光通信器件数码率高、波长单色性好,其模块己广泛应用于光网络。但存在着InGaAsP/InP系导带偏移量－温度稳定性差，折射率差异小－制作垂直腔型面阵功能集成器件难度大等问题。InP系材料与制作微电子电路常用的Si基、GaAs基晶格失配大，难以在单一基片上实现光电子与微电子的集成。
以InGaAs量子点、GaInNAs(Sb)量子阱为代表的GaAs基近红外光通信器件可望实现单片集成化的光电收发模块，成为当前国际关注热点。其优越性在于载流子导带偏移量较大，电子限制能力的增强将大大提高器件温度稳定性；以GaAs为基，可用GaAs/AlAs的Bragg反射器制备垂直腔器件，易于制备光电单片集成器件。
发达国家对GaAs基近红外材料的研究投入巨大，竞争激烈。目前主要科学问题集中在：1)弄清InAs量子点能带结构，在将InAs量子点发光波长拓展到1.3微米波段的同时，提高InAs量子点面密度、改善其均匀性，获得足够增益，实现激射与探测。2)研究III－N－V能带结构和N组分并入机理，优化量子阱结构设计、改善器件物理特性。
项目创新点
1. 采用压力光谱揭示大尺寸量子点压力系数小于通常尺寸量子点物理特性。提出量子点亚单原子层循环变温生长技术，获得高密度、均匀性好的1.0-1.3微米长波长量子点材料，制备出高性能1.06微米谐振腔增强探测器和室温连续激射1.33微米量子点边发射激光器。
2. 研究揭示量子点微腔中光学模式辟裂物理机制。提出对谐振腔增强探测器改变探测角实现现场探测波长调谐的理论方案，并成功研制出1.06微米、波长调谐40纳米范围内量子效率依然大于15％的InGaAs/GaAs量子点谐振腔增强探测器，为其实际应用扫清了障碍。
3. 研究发现低温快速退火主要消除GaInNAs/GaAs界面位错，而高温快速退火主要消除外延生长缺陷的现象。GaInNAs电子的有效质量大于同样In组分GaInAs电子的有效质量。采用N在表面的脱附和偏析正确解释了N在III－Vs外延层的并入类似掺杂原子的机制。采用II型能带模型估算了GaNAs导带带阶等重要物理参数。从计算N、Sb原子分布出发，建立了GaInAsNSb/GaAs超晶格能带模型，用能态局域化分布解释了N对光跃迁强度的作用机制。
4. 通过优化In、N组分配比，采用自主设计的N等离子源瞬态控制装置，全面突破室温发光波长1.2-1.6微米高质量GaNAs、GaInNAs、GaInNAsSb等多种量子阱的生长技术。研制成功1.30微米室温连续激射GaInNAs量子阱激光器和垂直腔面发射激光器。研制成功高性能1.55微米GaInNAs/GaAs多量子阱谐振腔增强探测器、室温连续激射1.586微米GaInNAsSb/GaAs量子阱边发射激光器。
社会经济效益
本成果在GaAs基近红外低维结构材料生长、物理特性研究等多方面取得的进展是国际上这一研究领域的重要成果。多次受到英国物理学会Compound Semicon.Net和Elsevier Science Publishers的III-Vs Review以及美国、澳大利亚等国际刊物评价和国内多家专栏报道。部件为我国赢得了国际声誉，而且掌握了这一类GaAs基近红外波段光电子材料物理特性、生长技术和器件制备技术，使我国成为能够开发GaAs基近红外波段单片集成多功能光电子器件如垂直腔面发射激光器、激光器探测器单片集成器件等国际上为数不多的国家之一，为我国在这个竞争激烈的研究领域争得了有利地位。
项目承担单位简介
中国科学院半导体研究所是1956年按照"12年科学发展远景规划"中"四项紧急措施"开始着手筹建的，是集半导体物理、材料、器件研究及其系统集成应用于一体的国家级半导体科学技术的综合性研究所，正式成立于1960年。
建所以来，半导体所在我国半导体科技发展的各个历史阶段都曾做出过突出的贡献。研制出中国只锗晶体管，硅平面晶体管，固体组件；根锗单晶，硅单晶，砷化镓单晶；设计制造出台硅单晶炉，区熔炉……。直接为国家经济建设和发展作出了重要贡献。
目前，所主要研究领域为：光电子及其集成技术；体、薄膜、微结构半导体材料科学技术；低维量子体系和量子工程、量子器件的基础研究；半导体人工神经网络和特种微电子技术。
北京邮电大学是以信息科技为特色，工学门类为主体，工、管、文、理相结合的多科性全国重点大学。
北京邮电大学创建于1955年，原名北京邮电学院，是以天津大学电讯系、电话电报通讯和无线电通信广播两个专业及重庆大学电机系电话电报通讯专业为基础组建的，是新中国所邮电高等学府，隶属邮电部。 1959年和1960年北京电信学院及其附属中技部、邮电科技大学先后并入北京邮电学院。1960年北京邮电学院被确定为全国64所重点院校之一。1993年经国家教委批准，“北京邮电学院”更名为“北京邮电大学”，江泽民主席亲笔题写了校名。1998年北京邮电大学成为全国首批重点建设的61所“211工程”项目院校；1999年定为全国开展远程教育试点的四所院校之一；2000年，全国院校调整后，直属国家教育部管理。
项目承担单位：
中国科学院半导体研究所
地址：海淀区清华东路甲35号(林大北路中段)
邮编：100083
网址：http://www.mbe-iscas.cn
北京邮电大学
地址：海淀区西土城路10号
邮编：100876
网址：http:// www.bupt.edu.cn
项目提供单位：
北京市科学技术奖励工作办公室
地址：西直门大街16号（市科委院内北楼104房间）
邮编：100035
电话：66186832 66188227