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技术 | Technology – 光电子

电路是在（001）上形成，这种情况不可能去改变。
另外，激光器的制造涉及复杂的缓冲层和中间层
的生长，使得整个工艺非常复杂。

切换到氮化物
我们的观点是，不要试图解决所有这些问题，
切换到另一个材料体系要好得多。我们选择了氮
化物，因为它们结合了带隙的巨大可调节性和各
种衬底上生长的可能性，例如蓝宝石，SiC 和硅，
这里硅也包括用于 CMOS 电路的形式。
GaN 及其相关合金的一个显著特征是其大的
图1. 硅平台上光子集成电路的最简单示例。密歇根大学用MBE直接在硅上生长III族氮化物异质 固有极化。极化产生的电场有助于 HEMT 的设计，
结构纳米线盘阵列，用于制造二极管激光器和光电二极管。波导通过介质沉积形成。
但对于 LED 则是缺点，它会阻碍辐射复合效率并
限制量子阱的厚度。其他的复杂性是当从蓝光推
进到绿光发光时 InGaN 阱的铟含量增加，会导致
组分的不均匀。这使得生产蓝色以外波长光源实
现可接受效率非常具有挑战性。而且高密度缺陷
还会放大这个问题，这主要是由于外延材料与衬
底的巨大晶格失配引起的。
为了避开这些问题，我们避免使用平面 III
族氮化物半导体，转而使用纳米线。这些纳米线
的阵列可以在没有掩模或催化剂的情况下直接生
长，包括在 CMOS 兼容的（001）硅等各种衬底上。
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这些自组织随机阵列的纳米线密度可以在 10 cm -2
-2
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至 10 cm 的范围内，而它们的直径可以在 20nm
至 80nm 之间（参见图 2）。
由于外延生长期间应变的径向弛豫，这些纳
米线中与高极化场相关的问题大大缓减。由于更
大的表面积与体积之比，纳米线还可以抑制扩展
缺陷 ；通过将如 InGaN 制成的较低带隙圆盘插入
到较高带隙 GaN 或 AlGaN 纳米线中，发光可以
跨越更宽的光谱范围。注意，结构的发光可以通
过调整单个或多个圆盘的组分来调整。
我们在开始这项工作之后不久就意识到，纳米
线的另一个好处是，InGaN 盘中铟的掺入量可以远
远高于平面量子阱中铟的掺入量，而且没有任何不
好的效应。我们都可以实现超过 50％的量子效率。
我们已经使用这些纳米线中的圆盘阵列制造
出了绿光和红光发光 LED，而更重要的是首次实
现了二极管激光器。请注意，我们的边发射纳米
线阵列激光器（见图 2）在（001）硅衬底上制造
出来以后，看起来和平面器件是完全相同的。为
了实现绿光和红光的发光，GaN 波导和 AlGaN
图2.（a）硅上纳米线阵列的扫描电子显微镜和高分辨率透射电子显微镜图像；（b）纳米线中
圆盘的边发射二极管激光器图示；（c）低于和高于阈值注入的绿色发射激光器的光输出特性。 包覆层中形成有源（增益）介质的 InGaN 盘对于

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