硅基化合物材料与器件专题硅基光子学的研究凭借低成本、高可靠性、高能量效率和高密度芯片集成等优点正在蓬勃发展，不仅广泛应用于CMOS技术中，还在调制器、探测器以及其他无源波导组件的工业生产中取得了巨大成功。然而，受硅体材料间接带隙的影响，基于硅衬底光源光电转换效率很难达到高效可靠的要求，这被认为是硅基光电子“最后一块拼图”。而由于III-V族化合物半导体器件可以提供高效的光源和光放大器，因此在硅衬底上集成III-V族化合物半导体材料和器件正得到越来越多人的关注。硅衬底集成化合物半导体器件不仅可以实现人们梦寐以求的光源，还可以与硅基集成电路进行优势结合，从而实现从全功能光电电路、光学芯片间乃至光学系统间的制作和生产。尽管III-V族化合物半导体材料与硅材料之间的物理材料特性差异已经使其集成发展阻滞了三十多年，但是近年来出现的突破使人们对该领域有了新的理解，这为硅基光子学领域带来了机遇与挑战。
《半导体学报》组织了一期“硅基化合物材料与器件”专题，并邀请伦敦大学学院刘会赟教授、上海交通大学苏翼凯教授、中央民族大学李传波教授和上海交通大学郭旭涵副教授共同担任特约编辑。该专题已于2019年第10期正式出版并可在线阅读，欢迎关注。
该专题报道了该领域共6组研究人员的研究成果。其中包括一篇硅基III-V族化合物材料和激光器的综述文章，还包括三篇从制备、结构、动力学到应用等方面的硅衬底上生长III-V族量子点材料最新进展的综述论文。此外还有一篇综述文章报道了硅衬底上生长三元III-V纳米线的最新进展。另一篇综述论文则重点讨论了键合方法以及最近出现的异质集成硅激光器。最后讨论了异质集成方面面临的挑战和机遇。
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专题论文
1. 硅基III-V三元纳米线的生长、表征与器件应用
过去的几十年中，在电子、光电子和能量采集领域，可用于尖端技术的材料增长十分显著。在各种材料中，Ⅲ-V族半导体由于其优异的光学性能和高的载流子迁移率而受到广泛关注。然而，作为光源的III-V结构和许多其它光学元件在硅材料上的集成（硅是大多数光电和电子集成电路的基础）受到了晶格失配的阻碍。失配会导致大量的应力和器件性能劣化。纳米线（NWs）作为一种独特的纳米结构，可以诱导弹性应变弛豫，从而使得III-V半导体能够在廉价成熟的硅衬底上进行单片集成。在纳米线结构设计中可以确保灵活性和自由度的技术是三元III -V 纳米线的生长，它可以通过调节组分构成来提供可调谐的光学特性框架。
伦敦大学学院Xuezhe Yu教授等综述了在硅衬底上生长三元III-V纳米线的最新进展。通过分析纳米线在应力影响下的生长机制，我们查询现有文献，并介绍了已被证实的每种III-V三元合金的生长、表征和光学测量。本文还讨论了每种材料体系的不同性能和特殊处理。此外，我们还介绍了一些器件制备的结果，包括激光器、光伏电池、水裂解装置、光电探测器和FET，在这些装置中三元III –V纳米线被用作基础材料。本文中，我们展示了这一研究领域的最新情况，并总结了过去几年的重要成就。
图1.（a）–（c）SAG模式下MOCVD法生长InAsSb/GaSb核/壳纳米晶的扫描电子显微镜（SEM）图像。生长的纳米线阵列具有高度的均匀性。每张图片中纳米线的Sb组分不同。
III–V ternary nanowires on Si substrates: growth, characterization and device applications
Giorgos Boras, Xuezhe Yu and Huiyun Liu
J. Semicond. 2019, 40(10), 101301
doi: 10.1088/1674-4926/40/10/101301
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2. 硅衬底上生长Ⅲ-V量子点激光器的研究进展
过去的几十年中，人们已经实现了大量的高性能硅（Si）光子器件。作为光子平台的硅材料近年来引起了人们新的兴趣。高效的硅基III-V量子点（QDs）激光器一直是半导体领域科学家们的目标，这是因为III-V族化合物具有无与伦比的光学特性。虽然过去30年来，III-V材料与硅之间的失配阻碍了单片集成的发展，但这个问题在21世纪已经取得了相当大的突破。
伦敦大学学院Siming Chen教授等综述了在边角料硅衬底和Si（001）方向衬底上外延生长各种III-V量子点激光器的最新进展。此外，本文还解释了单片生长的基本挑战与量子点的优越特性。
图1.单片III-V/硅集成面临的三个主要问题：（a）APBs，（b）TDs和（c）热裂纹。
Recent progress in epitaxial growth of III–V quantum-dot lasers on silicon substrate
Shujie Pan, Victoria Cao, Mengya Liao, Ying Lu, Zizhuo Liu, Mingchu Tang, Siming Chen, Alwyn Seeds and Huiyun Liu
J. Semicond. 2019, 40(10), 101302
doi: 10.1088/1674-4926/40/10/101302
3. CMOS兼容图案化Si（001）衬底上生长光泵浦III-V量子点微腔激光器
CMOS兼容硅衬底上直接外延生长Ⅲ-V量子点（QD）结构被认为是实现硅基光子集成方面的低成本、高收率硅基激光器的最有有效的方法之一。然而，在硅上外延生长Ⅲ-V材料主要有以下三个挑战：高密度的刃位错、反相边界和热裂纹，这三者显著降低了晶体质量和器件性能。
在本文中，中科院物理所王霆研究员等将重点讨论Si（001）衬底上通过Si（111）小面空心结构进行III-V/IV混合外延生长得到的InAs/GaAs量子点激光器的最新结果。此外，利用阶梯分级外延生长，InAs 量子点的发射波长可由O带扩展到C/L带。在Si（001）衬底上制备具有亚毫瓦阈值的高性能InAs/GaAs 量子点微盘激光器，并对其进行了表征。上述结果为光互连芯片激光器的应用开辟了一条光明的道路。
图10.（a）微盘激光器结构和（b）GaAs/Si（001）衬底上微盘激光器的原理图。（c）GaAs（001）和（d）GaAs/Si（001）衬底上微盘激光器的倾斜扫描电镜图像。
Perspective: optically-pumped III–V quantum dot microcavity lasers via CMOS compatible patterned Si (001) substrates
Wenqi Wei, Qi Feng, Zihao Wang, Ting Wang and Jianjun Zhang
J. Semicond. 2019, 40(10), 101303
doi: 10.1088/1674-4926/40/10/101303
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4. Si上非均匀集成III-V激光器的最新进展
上海交通大学郭旭涵副教授等综述了基于III-V族化合物的硅基光源的现状和发展，重点介绍了基于III-V族有源层聚合物键合的硅基激光器的加工工艺，关键耦合技术以及近几年适用于新兴应用场景的诸如光谱学、传感学、计量学和微波光子学等方面新型硅基光源的最新进展，以及展望了在应用领域的发展。
图5 基于III-V族有源层聚合物键合的硅基激光器的耦合结构 (a) - (d) 渐变波导耦合器 (f) - (i) 狭缝波导耦合器和 (k) - (n) 桥接亚波长光栅耦合器. (e), (j) 和 (o)相应的耦合结构和III-V族激光器耦合光场传播图
Recent advances of heterogeneously integrated III–V laser on Si
Xuhan Guo, An He and Yikai Su
J. Semicond. 2019, 40(10), 101304
doi: 10.1088/1674-4926/40/10/101304
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5. 硅上生长III-V化合物材料与激光器
在过去的半个世纪，以微电子技术和集成电路为代表的技术创新和工业革命使世界进入了一个高度信息化、网络化和智能化的时代，微电子器件为社会的快速发展奠定了基础。同时，对微电子器件和集成电路的性能提出了更高要求，以满足更大量的信息获取和处理的需要。然而，传统的硅集成电路越来越不能满足数据处理速度和带宽性能方面日益增长的需求。几十年来，人们一直在努力改进微电子芯片的集成以解决相关问题，但平均每个芯片的成本仍然很高。在缩小微电子器件尺寸期间由CMOS技术引起的若干物理效应将严重降低MOSFET器件的性能。III-V族复合材料具有极高的电子迁移率，是硅基nMOS通道的最可能替代品。微电子器件的高成本也表明，通过减小尺寸来实现高速、低成本和低能耗的通信和信息处理变得越来越困难。传统的硅基微电子器件的发展遇到了瓶颈，随后硅基光子集成引起了科研人员的兴趣，因为它具有高发光效率和电子迁移率。在过去的几十年中，硅基集成激光器已经取得了突破性进展。
中科院半导体研究所潘教青研究员等在本篇综述中回顾了在硅上集成III-V族材料的三种主要方法，即直接生长，键合和选择区域异质外延。介绍的III-V族材料主要包括GaAs和InP等材料，激光器主要是相关通信频带的激光器,同时还介绍了这三种方法的优点和挑战。
本篇综述还介绍了最新的一些工作。2019年，研究人员发现，去除III-V纳米线（底部）周围的硅后，整个III-V纳米线被包裹在空气中，空气的折射率约为1，远小于III-V材料。该结构对光具有良好的限制，并且可以形成导波模式以提供光学增益，如图1所示。
图1.（a）SOI衬底上的III-V纳米线的SEM图像。（b）刻蚀后SOI衬底上的III-V纳米线的SEM图像。（c）刻蚀后SOI衬底上的III-V纳米线的FDTD模拟结果。
硅基III-V族化合物材料和激光器是一个快速发展的研究领域，具有巨大的潜力。直接外延量子点激光器能够在室温下对激光器进行电泵浦，键合激光器已经投入商业使用，同时可以使用ART技术生长高质量的III-V复合材料。这些都显示了与传统CMOS技术相结合的可能性，使得传统CMOS技术可用于未来制造高速通信网络。
III–V compound materials and lasers on silicon
Wenyu Yang, Yajie Li, Fangyuan Meng, Hongyan Yu, Mengqi Wang, Pengfei Wang, Guangzhen Luo, Xuliang Zhou and Jiaoqing Pan
J. Semicond. 2019, 40(10), 101305
doi: 10.1088/1674-4926/40/10/101305
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6. 在锗/硅衬底上外延生长InAs/GaAs量子点激光器的动力学
在锗/硅上外延生长的III-V量子点(Qdot)激光器具有成本低、可扩展性好、产率高等优点，被认为是大规模光子集成电路(PICs)的光源问题的一种解决方案。然而III-V化合物与锗/硅材料的不匹配产生了高密度的线性位错和反相畴等缺陷，这极大的限制了激光器的性能。近年来，研究人员对如何降低锗/硅外延生长的砷化镓量子点激光器的缺陷密度进行了大量的研究。到目前为止，锗或硅基量子点激光器已经展现出了和砷化镓基激光器相当的阈值电流、量子效率和寿命。基于良好的的静态性能，锗或硅基量子点激光器的动态性能开始受到越来越多的关注。
上海科技大学王成教授等从线宽展宽因子、激光噪声及其对光反馈的灵敏度、调制带宽和锁模激光器的应用等方面，系统地回顾了近年来锗或硅基量子点激光器的动力学研究进展。目前，基于锗或硅的量子点激光器已经展现出了较低的线宽展宽因子和较高的光反馈容限的优点。在未来，仍然需要进一步降低锗或硅基量子点激光器的缺陷密度，来提高激光器的静态和动态性能。
图1. 非辐射复合对（a）RIN谱，（b）FN谱，（c）低频RIN和峰值FN的影响。
Dynamics of InAs/GaAs quantum dot lasers epitaxially grown on Ge or Si substrate
Cheng Wang and Yueguang Zhou
J. Semicond. 2019, 40(10), 101306
doi: 10.1088/1674-4926/40/10/101306
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综述论文
1. 氮化镓衬底的氢化物气相外延
与氮化镓（GaN）的另一种生长方法相比，氢化物气相外延（HVPE）具有很高的生长速率，所以该方法目前是批量生产GaN衬底的唯一方法。中科院半导体所杨少延研究员等综述了商业化的HVPE系统及其生长的GaN晶体。本文还介绍了一些开发国产HVPE系统的创新性尝试。最后，对HVPE在GaN晶体生长中的应用前景进行了展望。
图12.（a）HVPE垂直横截面示意图和（b）HVPE的俯视示意图。
Hydride vapor phase epitaxy for gallium nitride substrate
Jun Hu, Hongyuan Wei, Shaoyan Yang, Chengming Li, Huijie Li, Xianglin Liu, Lianshan Wang and Zhanguo Wang
J. Semicond. 2019, 40(10), 101801
doi: 10.1088/1674-4926/40/10/101801
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研究论文
1. 尺寸对蓝色发光二极管光学性能的影响
中科院半导体研究所葛畅等研究了尺寸对蓝色发光二极管（LEDs）光学性能的影响。通过制备具有不同尺寸有源区的LED和测试光学特性，研究了其基本物理机制。结果表明，与宽面积LED相比，微型LED的周长与有源区的比值小，从而具有更好的光提取效率和热耗散特性。此外，由于在低脉冲宽度调制（PWM）电流密度下的波长稳定，微型LED在显示方面的应用更有优势。
图1. LED的光学显微照片。活性区尺寸在20～120μm之间。
Size effect on optical performance of blue light-emitting diodes
Chang Ge, Jing Li, Guohong Wang, Kang Su, Xingdong Lu
J. Semicond. 2019, 40(10), 102301
doi: 10.1088/1674-4926/40/10/102301
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2. 外腔半导体激光器高耦合效率结构设计仿真
对于外腔半导体激光器（ECSLs）而言，高的耦合效率是降低线宽的关键。中科院半导体研究所郭文涛研究员等对激光二极管与波导光栅之间的耦合效率进行了改进，并提出了改进建议，包括增加光斑尺寸转换（SSC）、使用绝缘体-硅（SOI）波导等。结果表明耦合效率从41.5%提高到93.1%，比常规结构提高了约51.6%。本文主要研究了耦合效率与SOI波导结构的关系。这些结果为ECSL窄线宽的研究提供了新的方向。
图2. 基于脊形波导的光斑尺寸转换器的原理图。
Simulation of structural design with high coupling efficiency in external cavity semiconductor laser
Yangjie Zhang, Wentao Guo, Di Xiong, Xiaofeng Guo, Wenyuan Liao, Haifeng Liu, Weihua Liu, Manqing Tan
J. Semicond. 2019, 40(10), 102302
doi: 10.1088/1674-4926/40/10/102302
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3. 均匀生长AlN的籽晶制备与表征
采用物理气相传输（PVT）方法在SiC异质晶种上生长了大尺寸AlN块体晶体。采用高分辨X射线衍射（HRXRD）、拉曼光谱、蚀刻法和原子力显微镜（AFM）对AlN晶片的性能进行了表征。提出了异质SiC晶种上生长AlN晶体的生长机理。氮化铝样品的结晶质量随生长过程的进行而提高，这与其生长机理有关。HRXRD表明（0002）和（10-12）处的半峰宽分别为76.3和52.5弧秒，证明AlN单晶片具有很好的结晶质量。用原子力显微镜（AFM）对AlN晶片表面进行了测量，粗糙度为0.15 nm，证明SiC对于均匀生长AlN晶体而言是一种很好的晶种。
图1.（a）AlN单晶。（b）AlN样品。（c）面积为10×10μm2的AlN样品的Ra。
Preparation and characterization of AlN seeds for homogeneous growth
Li Zhang, Haitao Qi, Hongjuan Cheng, Lei Jin, Yuezeng Shi
J. Semicond. 2019, 40(10), 102801
doi: 10.1088/1674-4926/40/10/102801
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