【会员论文】苏州工学院&哈尔滨工业大学：超宽禁带半导体材料的非线性光学特性与集成光子器件研究进展

        由苏州工学院、哈尔滨工业大学的研究团队在学术期刊《中国激光》发布了一篇名为《超宽禁带半导体材料的非线性光学特性与集成光子器件研究进展》的文章。

        人工智能技术的飞速发展对计算算力和网络通信带宽提出了极高要求。在此背景下，光子集成电路（PICs）凭借高倍率、高并行度、低功耗等优势，成为替代传统电子集成电路的关键技术。目前硅基光子学虽处于核心地位，但受限于硅材料约 1.1 eV 的窄带隙，其透明窗口仅覆盖 1.1-8.5 μm 波段。这使得它难以满足量子光学、精密光谱、虚拟现实、原子钟等需要紫外-可见光或中红外波段的应用需求。为了填补光谱空白，学界研究了多种材料，但现阶段尚无单一材料能独立完成光产生、调制、传输和探测的所有功能。因此，将多种材料结合的异质集成成为高性能芯片的优选方案。以氧化镓 （Ga₂O₃）、氮化铝 （AlN） 和金刚石 （Diamond） 为代表的超宽禁带半导体，因其极宽的透光窗口、丰富的非线性光学效应、高折射率对比度及良好的工艺兼容性，成为开发紫外-可见或中红外波段集成器件的理想平台。这些材料在超连续谱产生、光频率梳、电光调制及微纳激光器等核心器件中发挥着不可替代的作用，是实现“CMOS+X”混合集成光电子器件的基础。

        •建立了涵盖全局热场、流体流动及机械应力的三维有限元模型，系统分析了 VB 法生长 β-Ga₂O₃ 的复杂物理过程 。

        •相比传统的单加热器，采用双加热器配置可以更精确地调节轴向和径向温度梯度。

        •深入探讨了坩埚肩膀角度对比表面积和应力的影响，研究表明较大的肩角有助于缩短机械约束区域，从而有效缓解热应力积累。

        本文综述了超宽禁带半导体材料氧化镓、氮化铝和金刚石在非线性光学特性和片上集成光电子器件领域的部分代表性研究成果及最新进展。自 2000 年起，超宽禁带半导体材料不仅推动了功率电子与紫外固态照明器件的发展，也在光子集成芯片领域展现出巨大的应用潜力。从三种核心材料的研究进展、核心突破与现存瓶颈来看，具体如下：一是氧化镓，其在非线性光学特性和片上集成光电子器件领域有相关代表性研究成果，核心突破集中在非线性光学特性相关研究及片上器件的初步探索，现存瓶颈主要是制备成本较高，尚未形成成熟的低成本制备技术，制约其器件化应用。二是氮化铝，作为当前光子集成芯片器件中应用最为广泛的超宽禁带材料，核心突破体现在其在光子集成领域的广泛应用基础，相关非线性光学特性与集成器件研究较为成熟，为光子集成芯片提供了可靠的材料支撑；现存瓶颈在于其规模化制造相关工艺仍有提升空间，异质集成过程中的界面缺陷控制仍需优化。三是金刚石，核心突破在于其非线性光学特性的研究及在片上集成器件领域的潜力展现，现存瓶颈主要是制备成本高昂，规模化制备与加工难度大，限制其器件化与规模化应用。总体而言，三种材料在集成光电子器件领域均取得阶段性进展，但与技术成熟的硅光子学相比，仍处于初步发展阶段，共性瓶颈集中在三个方面：材料制造与加工成本居高不下、多种材料片上规模化集成难度大、芯片设计与工艺标准化缺失，这些均制约了相关器件的规模化研发与应用。