【国际时事】东京大学的研究团队开发UWBG半导体氧化镓，开拓光学器件的可能性

        近期，由日本东京大学先端科学技术研究中心的研究团队，成功实现了利用氧化镓的亚稳相α-Ga₂O₃ 制作单模波导并观测光导波。该团队提出了将尚未经过充分研究的α-Ga₂O₃作为光子学材料的新型光电路平台的方案。通过使用雾化学气相沉积（Mist-CVD）法在蓝宝石衬底上生长α-Ga₂O₃，并通过反应性离子刻蚀制作波导路结构，利用光栅耦合器进行面外耦合用于观察光导波。目前，研究团队已经成功实现了对红光（波长633nm）和绿光（波长532nm）的单模波导的制作与光导波的观测。

        因氧化镓具有高耐压和低损耗的特性，尤其在需要高电压的电力转换器和开关器件领域中应用前景广阔。此外，由于氧化镓在深紫外至近红外区域具有透明性，其作为在不同波长下功能的光电路平台的研究也已开始进行。

        东京大学先端科学技术研究中心的研究员提到：“目前，可见光波导的材料广泛使用的是非晶氮化硅 (SiN)，但需要对其成分和应变进行控制。而在本次研究中，我们认为采用有着结晶性的氧化镓作为光波导材料，可以更容易获得稳定的光学特性。此外，氧化镓还具备作为半导体材料的功能，因此未来有望与各种活性元素融合”。

        氧化镓有几种不同的晶相（※1），其中最稳定的相是 β‐Ga₂O₃，最早作为可见光波导的研究对象。然而，β‐Ga₂O₃ 波导的研究尚未取得足够的进展，关于单模特性（※2）的讨论也不够充分，如何实现高效率的光波导仍面临挑战。另一方面，关于使用亚稳定相的光电路的研究进展近乎停滞，因此需要从更广阔的视角进行研发。其中之一的亚稳定相 α‐Ga₂O₃具有比 β‐Ga₂O₃ 更宽的带隙（5.3eV）和更高的折射率，可能在光电路平台上展现出更优异的性能。

※1晶相：物质作为晶体存在时的特定结构。取决于原子和分子规则排列状态（晶格）的类型和对称性。

※2单模：光在光纤和波导等光学传输设备中以一种特定模式传播的状态。

        基于这一背景，研究人员聚焦于亚稳定相的α-Ga₂O₃，主要尝试制作可见光区域的单模波导并观测光导波。这项研究旨在利用氧化镓优异的光学特性，探索其作为下一代光电路器件平台的潜力。

        在实验中，首先使用Mist-CVD法在c面蓝宝石衬底上生长了厚度约为200nm的高质量α-Ga₂O₃薄膜。Mist-CVD法是一种将雾状前驱体溶液供应到预热的衬底上，通过化学反应来生长薄膜的方法。该工艺不需要真空环境，因此制造过程中具有降低成本的优势。研究员解释说明：“通过使用Mist-CVD法，可以在相对较低的温度下制备高质量的α-Ga₂O₃薄膜。此外，还能够在蓝宝石衬底上形成非常高质量的薄膜。”

        接下来，研究小组使用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）（※3）在α-Ga₂O₃薄膜上形成二氧化硅（SiO₂）牺牲层。随后，利用光刻工艺制作了镍（Ni）掩模。通过使用该掩模，进行混合气体反应性离子刻蚀（RIE），使用氯化硼（BCl₃）和氯气（Cl₂）混合气体，成功形成了单模波导结构。最后，通过氢氟酸（HF）去除SiO₂牺牲层和Ni掩模，完成了波导结构的制作。制作出的波导具有宽度为1μm的高mesa结构，并在两端配置了光栅耦合器（图1所示）。研究员补充道：“为了将需要在亚波长尺度制造的光栅耦合器集成到波导中，我们采用了具有优异抗刻蚀性的镍作为掩模进行了器件的试制。此外，通过光栅耦合器实现的空间模式与波导模式的耦合技术与端面耦合相比，对位置的偏差容限更高，并且与波导的自动测试具有良好兼容性，因此此项技术在面向工业应用时十分重要。”

图 1. 制作的波导的 SEM 图像。（左）俯视图和（右）放大图。

※3 PECVD法：化学气相沉积 (CVD) 法的一种。一种利用等离子体加速化学反应，在衬底上沉积薄膜的技术。

        根据使用扫描电子显微镜（SEM）测量（※4）的波导结构参数进行本征模式计算后，通过导出的色散曲线，确认该结构为TE偏光的单模导波路。随后，利用空间光学系统，将波长为633 nm的红色激光垂直入射到波导末端的光栅耦合器一侧，观察到另一侧光栅耦合器发射出光（图2）。

图 2 显示光波导的 CCD 图像。

※4 SEM测量：使用扫描电子显微镜（SEM）测量微观结构的尺寸和形状。

        通过类似的工艺，成功制作了弯曲半径为20 µm的弯曲波导。对该结构，向一个光栅耦合器输入y偏光的红光后，观察到另一侧光栅耦合器发射出x偏光（图3）。这一结果证实了本征模式计算得出的TE偏光光波导特性。

图 3显示弯曲波导中波导的CCD 图像。

        研究员指出：“通过降低表面粗糙度（表面不平整度和微细凹凸结构），可以进一步抑制光损耗和散射。”在今后的研究中，计划通过减少侧壁粗糙度以及改进工艺来提升波导的性能，目标是开发出更低损耗且更高效的光导波路。

        预计未来将利用氧化镓材料的这种超宽禁带半导体特性，开发出创新的光学器件。此次研究表明，氧化镓作为优异波导材料的潜力。由于能够制造出小型波导，因此可以预见其在使用近紫外至可见光的应用中，包括片上生物传感器（※5）等方面有广泛应用。如果能够获得更高质量的晶体，氧化镓有可能展现出超越传统材料的性能。

※5 片上生物传感器：集成在半导体芯片上的微型生物传感器。生物传感器是一种检测化学物质和生物分子，并将其转化为可测量输出（如电信号和光信号）的传感设备。