半导体激光器原理（第四代半导体锑化物低维结构中红外激光器）

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半导体材料体系的迭代更新一直紧密关联着高新技术的发展。第一代半导体材料主要为硅（Si）与锗（Ge），第二代半导体材料主要为砷化镓（GaAs）与磷化铟（InP），第三代半导体材料主要为碳化硅（SiC）与氮化镓（GaN）。随着前三代半导体材料及由其制备的典型器件相继得到广泛应用，微电子、通信、量子信息、人工智能、碳中和等高新技术获得了巨大的发展驱动力，并实现变革性突破；与此同时，高新技术的快速发展也对半导体器件的性能和功耗等提出了更高的要求，促进着半导体器件的迭代更新。因此，如何发展实现兼具高性能、低功耗、低成本的第四代半导体材料器件技术，已成为国际前沿技术领域的研究热点和重点。

第四代半导体材料器件技术的潜在目标材料体系主要包括：窄带隙的锑化镓（GaSb）与砷化铟（InAs）、超宽带隙的氧化镓（Ga2O3）与氮化铝（AlN）、各种低维碳基与二维材料。其中，锑化物半导体材料是指以铝（Al）、镓（Ga）、铟（In）等Ⅲ族元素以及砷（As）、锑（Sb）等Ⅴ族元素为基础组成的二元、三元、四元及五元化合物材料，具有红外发光、能带可调的物理特性，是天然晶格匹配的材料体系，与传统的激光与探测材料相比，更是具有晶格匹配性好、均匀性好、单片基片尺寸大、半导体制备工艺兼容性高等独特优势，发展潜力巨大，在成像、遥感、传感、气体探测等诸多方面具有重要用途，同时也是国际同行公认的新一代红外中长波段激光、探测、半导体光电集成芯片的首选材料体系，为各种新型功能芯片器件的研究提供了极大的发展空间。

目前，基于InGaAsSb/AlGaAsSb材料的锑化物Ⅰ型量子阱结构已能实现2~3微米半导体激光器的室温连续瓦级功率输出，基于GaInSb/AlSb材料的锑化物Ⅱ型带间级联结构已能实现3~4微米半导体激光器的室温连续高功率输出，其波长在低温下可延伸拓展至10微米，基于InAs/GaSb材料的二类超晶格结构的探测器更是实现了近红外到数十微米甚长波的整个红外区域的完整覆盖。此外，锑化物半导体材料具有小的电子与空穴质量，室温载流子迁移率远超前三代半导体材料体系，在实现超低功耗、超高速的微电子集成电路器件方面具有无可比拟的优势，而其良好的热电性能，则使得各类含锑元素的晶体材料在热电制冷器件研究中展现出不可替代的应用前景。

在国家自然科学基金重大项目及重点项目、国家重点研发计划项目等的长期支持下，中科院半导体研究所牛智川研究员团队聚焦锑化物新材料体系及新器件，深入开展锑化物低维材料能带调控研究，突破了复杂低维结构大尺寸外延生长的技术难题，发展出多功能、多系列锑化物光电子器件的制备技术。研究团队从经典半导体能带理论出发，创新提出了锑化物数字合金短周期超晶格势垒结构，发展出分子束外延技术并实现锑化物低维材料原子级高精度可控高重复性外延生长，攻克了锑化物多元复杂化合物系列激光器的制备工艺难题，成功研制了多款高性能锑化物红外半导体激光器，其波长能够覆盖2~4微米波段，技术水平处于国际一流梯队。

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短周期超晶格势垒锑化物

应变量子阱高功率激光器

作为大气窗口的重要波段之一，2~4微米红外波段不仅具有光传输优势，而且包含众多的气体分子特征吸收峰，具有高灵敏光吸收特性，而据此衍生出的制导、激光雷达、医学仪器、激光加工、环境监测等多种光电系统的持续发展更离不开半导体红外激光器等核心器件的支撑。进入21世纪以来，锑化物分子束外延材料技术获得一系列重要突破，并迅速引发锑化物光电器件的研究热潮，锑化物半导体激光器技术日益呈现出重大的应用价值和广阔的应用前景。

传统锑化物结构有源区价带带阶会随着铟组分的增加而逐渐降低，进而导致其在长波长处出现严重的载流子泄露以及发光效率下降。为解决这一难题，研究团队创新提出了AlSb/AlAs/AlSb/GaSb短周期超晶格数字合金势垒与渐变层新型量子阱结构：通过在量子阱两端增加二元材料短周期超晶格势垒，利用超晶格薄层材料形成的微带势垒实现对空穴载流子的有效限制，成功解决了四元合金AlGaAsSb体结构量子阱材料的组分精确控制、有源区价带空穴限制不足的难题，提高了2~3微米波段的激光发光效率，同时采用二元超晶格材料构建了与四元合金材料相同的有效折射率，构建形成2微米波段大功率高效率数字合金量子阱激光器结构，其最大光电转换效率达到27.5%，插头效率超过15%，激光器单管功率提高至1.62瓦，巴条（Bar）功率超过16瓦，在相关指标上实现了对锑化物大功率激光器技术封锁的突破。在此基础上，研究团队通过不断优化设计，在2021年实现2.043瓦的单管室温连续输出功率，这也是目前该指标的国际最高记录。

在锑化物长波长激光器方面，2015年研究团队通过在有源区中引入高铟组分和AlGaInAsSb五元合金势垒，以牺牲导带带阶的代价提高价带带阶，将锑化物Ⅰ类量子阱光致发光的波长拓展到3.83微米，同年实现了2.4微米激光器的室温连续激射。在随后的几年中，研究团队实现了2~3微米激光器的室温连续激射，其中2.6微米激光器的室温连续激射功率为325毫瓦，2.75微米激光器的室温连续输出功率为60毫瓦，这也是国内首次基于锑化物Ⅰ型量子阱结构实现的2~3微米半导体激光器的完整覆盖。

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锑化物带间级联激光器和单模激光器

带间级联激光器是一种介于传统双极型带间跃迁激光器与单极型量子级联激光器之间的混合型激光器，既具有带间跃迁无需声子参与的优点，又可通过载流子的隧穿跃迁实现单个电子发生多次跃迁并产生多个光子，具有很高的量子效率。带间级联激光器通过带间跃迁来发射光子，能够较好地避免由量子级联激光器中子带间光声子辐射而引发的非辐射复合，具有更低的阈值电流密度和更高的特征温度。此外，由于其有源区的激射波长主要由量子阱的宽度决定，因此在外延层的设计中可以采用成熟的材料结构，通过调整阱宽来获得更大范围的激光波长，尤其在3~4微米波段与Ⅰ型量子阱结构相比具有绝对优势。

研究团队基于维加德定律（Vegard’s Law）以及8带k•p模型，对锑化物多元化合物材料的晶格常数、禁带宽度、价带带阶差、折射率等关键参数进行了计算，并在此基础上，对AlSb/InAs/InGaSb/InAs的“W”型二类量子阱开展了深入研究：模拟了其能带结构、导带与价带带阶差、能级位置与发光波长、波函数分布，并计算了其在电压下量子阱的准费米能级分裂（QFLS）、载流子注入浓度、光增益；分析了二类量子阱带间级联激光器的结构和工作原理，优化了带间级联激光器采用的“W”型量子阱的衬底温度，并通过调整Ⅴ/Ⅲ比，解决了“W”型量子阱中InGaSb空穴阱的As并入问题；通过调整InAs电子阱的厚度来调节“W”型量子阱的发光波长，验证了其可覆盖整个中红外波段；设计和模拟了各个功能区之间的过渡层，并对全器件结构的晶圆片进行了表征；此外，在优化刻蚀条件的基础上，确定了半导体工艺制程，实现了晶圆到实际器件的制备，并设计了中红外带间级联激光器的腔面膜，最终实现带间级联激光器的室温连续工作，其工作波长为3.5微米，阈值电流密度为267安培/平方厘米（A/cm2），镀膜后输出功率为55毫瓦。该项成果填补了国内在中红外波段锑化物带间级联结构激光器方面的技术空白。

在气体检测、量子通信等领域中，高性能的锑化物激光种子源都具有重要的应用价值。为此，研究团队深入研究了锑化物侧耦合分布反馈半导体激光器：2016年通过全息曝光技术，实现了锑化物单模激光器的室温连续工作，输出功率为10毫瓦，边模抑制比（SMSR）为24分贝；2018年完成锑化物的剥离（Lift-off）工艺开发，实现了边模抑制比为35分贝的单模激光；2019年通过优化金属光栅结构设计和制备工艺，实现了室温连续输出功率为40毫瓦、边模抑制比为53分贝的单模激光，相关成果发表在《应用物理快报》(Applied Physics Letters)，之后国际半导体产业杂志《化合物半导体》（Compound Semiconductor）给出了“该类型激光器为天基星载雷达系统和气体检测系统提供了有竞争力的光源器件”的评价；2021年，研究团队通过进一步优化三阶侧壁光栅分布反馈结构，实现了室温连续输出功率为60毫瓦的单模激光，并将最大边模抑制比提高至57分贝，这标志着研究团队在锑化物单模激光器的研究工作已经处于国际领先水平。

如今，锑化物材料在2~4微米波段的中红外激光愈发表现出不可替代的关键性作用，其二类超晶格材料在近红外到远红外焦平面探测器的研发过程中也实现了跨越式发展和典型应用。围绕红外激光和探测技术发展而来的第四代锑化物半导体器件也已展现出向高性能、低功耗、低成本发展的巨大潜力，而在关键光电器件技术开发方面的不可替代性更是其能够成为国际前沿技术研究焦点的重要原因。以中国科学院半导体研究所为代表的国内科研单位通过多年的技术积累和攻关，逐渐形成了从锑化物材料的概念、理论研究、材料生长优化、器件设计，到制备工艺开发、集成光电芯片制造及封装测试的全产业、全国产化链条。在国家重大需求牵引、科技创新驱动、国际一流技术水平支撑的合力带动下，我国第四代锑化物半导体技术已实现从原始概念到器件的制备，并正在渐次实现由实验室研究向批量化生产及工业化广泛应用的阶段性转换。

致谢：感谢国家自然科学基金重大项目“锑化物低维结构中红外激光器基础理论与关键技术”（项目编号：61790580）的支持。

本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技纵览》2021年10月刊。