复旦大学光科学与工程系陆明教授、吴翔教授、王松有教授和光源与照明?程系张树宇副教授合作团队，基于其研发的高增益硅纳米晶薄膜，成功研制出世界上首个全硅激光器。全硅激光器是硅基光电子学拼图中最后的也是最重要的一块拼图，被称为硅基光电子学“皇冠上的明珠”。这项成果对于在激烈的国际尖端科技竞争背景下，打破国际垄断和技术制约，占领未来技术战略高地，提升我国自主研发能力，具有重大意义。

硅基光电子学结合了微电子和光电子两大支柱产业的技术精华，在通讯、传感、照明、显示、成像、检测等诸多领域有着广泛的应用，是发展现代核心科技的关键技术。目前，多种硅基光电子元器件已先后研制成功，全硅激光器是硅基光电子学拼图中的最后一块拼板。全硅激光器，即在硅芯片上生长、以硅作为增益介质的激光器，由于其良好的互补金属氧化物半导体（CMOS）硅工艺兼容性，成为硅基光电子学“皇冠上的明珠”。 然而，硅自身的发光极弱，如何将硅处理成具有高增益的激光材料，一直是制约全硅激光器研制发展的瓶颈。早在2005年全硅拉曼激光器问世时，有关“全硅激光器”的新闻就曾引起过社会关注。然而，这是一种将外来激光导入到硅芯片后产生的激光器，硅本身并不作为光源。同年，混合型硅基激光器面世。这种激光器是在现有的硅基波导芯片的基础上，直接粘合上成熟的III-V族半导体激光器，使两个部件组合成为一个混合型硅基激光器。同样，硅本身不是光源。混合型激光器和现有硅工艺兼容性较差，还会产生晶格失配问题。

在本项研究中，项目团队开发的硅激光器与以往不同，它的发光材料（增益介质）是硅本身（硅纳米晶材料），激光器可做在硅芯片上，所以是真正意义上的全硅激光器，这是集成硅基光电子领域近30年来取得的一项重大突破。项目团队首先借鉴并研发了一种高密度硅纳米晶薄膜制备技术，由此显著提高了硅纳米晶发光层的发光强度；之后，为克服常规氢钝化方法无法充分饱和悬挂键缺陷这一问题，他们发展了一种新型的高压低温氢钝化方法，使得硅纳米晶发光层的光增益一举达到通常III-V族激光材料的水平；在此基础上，设计和制备了相应的分布反馈式（DFB）谐振腔，最终成功获得光抽运DFB型全硅激光器。这种激光器不仅克服了半导体材料生长过程中会产生的晶格失配和工艺兼容性差的问题，同时，作为地表储备量第二丰富的元素，以硅做光增益材料也可以避免对稀有元素如镓、铟等的过度依赖。

图1 全硅激光器示意图，以及阈值上下的激光器光谱。

本项研究突破了数项硅基光电子的关键核心技术，包括：（1）研发了一种高密度硅纳米晶薄膜制备技术，显著提高其发光强度，薄膜中硅的荧光量子产率超过50%，居目前国际最高水平；（2）建立了硅纳米晶高效发光机制的理论模型，掌握了提高硅纳米晶增益效果的理论依据；（3）采用纳米压印工艺，实现硅纳米晶薄膜表面的大面积布拉格光栅制备，极大简化了加工流程；（4）通过对光栅尺度的控制，实现激光波长的大范围可调。上述突破为全硅激光器应用于硅光子芯片打下了坚实的基础。

相关成果以An all-silicon laser based on silicon nanocrystals with high optical gains为题，发表在中国科学院和国家自然科学基金委员会共同主办、《中国科学》杂志社出版的自然科学综合性学术刊物Science Bulletin [63, 75 (2018)]上。复旦大学博士生王东辰、张驰是共同第一作者，吴翔，陆明，张树宇是共同通讯作者。该工作发表后，得到国内外产业界和学术界的高度关注，已被包括LaserFocusWorld、PhysOrg、EurekAlert（美国科学促进会(AAAS)主办）、SemiconductorToday、PhotonicsOnline、科学网、澎湃新闻、光明科技、新浪、搜狐科技、央广网上海频道、中国光学期刊网、仪器信息网、上海市科委、中科院半导体所等在内的30余家国内外媒体和机构报道。该工作得到中国国家自然科学基金、上海市科委基础研究项目、上海市扬帆计划等基金的大力支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2018.01.006