半導體材料體系經(jīng)歷了三次重要迭代，在微電子、通信、人工智能、碳中和等重要領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著高新技術(shù)的快速發(fā)展，銻化物半導體作為最具發(fā)展前景的第四代半導體材料之一，在開發(fā)下一代高性能、小體積、低功耗、低成本的紅外光電器件領(lǐng)域具有獨特的優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，由中國科學院半導體研究所和中國科學院大學組成的科研團隊受邀在《激光技術(shù)》期刊上發(fā)表了以“高性能銻化物中紅外半導體激光器研究進展”為主題的文章。該文章第一作者為曹鈞天，通訊作者為楊成奧和牛智川研究員。

這項研究綜述了銻化物半導體激光器的的發(fā)展過程和國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，分析了器件結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料外延、模式選擇、波長擴展等關(guān)鍵問題，采用分子束外延技術(shù)生長了高性能銻化物量子阱激光器，闡述了實現(xiàn)大功率、單模、高光束質(zhì)量的銻化物激光器的設(shè)計方案和關(guān)鍵工藝技術(shù)。最后對兼具低成本、高成品率、大功率等優(yōu)異特性的單模銻化物激光器的研究前景進行了展望。

銻化物大功率激光器

材料生長技術(shù)和器件外延結(jié)構(gòu)是影響銻化物激光器輸出功率的關(guān)鍵因素，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展和國內(nèi)外相關(guān)研究單位的不斷探索優(yōu)化，在此方面取得了很大的進展。

1985年貝爾實驗室首次采用液相外延生長技術(shù)制備了室溫工作的銻化物脈沖激光器。隨著材料生長設(shè)備的不斷發(fā)展，金屬有機化合物化學氣相沉淀（MOCVD）和分子束外延（MBE）替代液相外延成為了外延生長的主流技術(shù)。由于激光器的閾值電流過高會嚴重影響器件性能，科研人員急需尋找新的外延結(jié)構(gòu)改善器件性能。激光器的內(nèi)部損耗是限制輸出功率的一個重要因素，大光腔結(jié)構(gòu)帶來串聯(lián)電阻過大的問題。

中國科學院半導體研究所在2010年首次采用MBE生長的2 μm InGaSb/InGaAsSb激光器，實現(xiàn)了室溫連續(xù)激射?；趯π滦屯庋咏Y(jié)構(gòu)的探索，研究人員提出了一種漸變Al組分的AlGaAsSb層生長方法，通過精確控制MBE設(shè)備的生長溫度和針閥位置，實現(xiàn)了漸變層的完美晶格匹配和完整外延結(jié)構(gòu)的原子級光滑表面。大功率激光器通常采用寬波導結(jié)構(gòu)，存在高階橫模輸出，寬遠場發(fā)散角的問題。研究人員針對此問題設(shè)計了一種用于模式濾波的片上微結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了良好的模場控制。在面向硅基集成的器件應(yīng)用中，研究人員基于銻化物材料體系，設(shè)計了一種GaSb基超輻射發(fā)光二極管，采用高外延質(zhì)量的InGaSb/AlGaAsSb量子阱增益材料實現(xiàn)功率提升，同時為了防止高電流注入時產(chǎn)生激射，采用反射率0.04%的Ta?O?/SiO?超低抗反膜制備抑制腔。這種組合結(jié)構(gòu)使得超輻射發(fā)光二極管在室溫連續(xù)工作時性能取得突破性提高。

圖1 銻化物大功率激光器的研究成果組圖

銻化物單模激光器

在氣體檢測、激光通信等重要應(yīng)用中，需要激光器具有窄線寬和穩(wěn)定單模的特性。大功率Fabry-Perot（F-P）腔激光器通常是多波長激射，難以實現(xiàn)單模輸出，因此需要引入濾波結(jié)構(gòu)進行波長篩選。國際上實現(xiàn)單模激光最有效的方法是引入周期性布拉格光柵，基于選模光柵不同的結(jié)構(gòu)和位置，主要分為分布布拉格反饋（DFB）、分布布拉格反射鏡（DBR）、垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）等結(jié)構(gòu)。

由于近紅外通信波段的市場需求量大，GaAs基和InP基單模激光器起步較早，技術(shù)發(fā)展相對成熟，已經(jīng)實現(xiàn)大規(guī)模商用，傳統(tǒng)的InP基DFB激光器制備采用二次外延技術(shù)，在無鋁組分的波導層生長完成后，停止生長，在波導層表面刻蝕光柵結(jié)構(gòu)，清洗后將外延片送回生長室內(nèi)完成激光器全結(jié)構(gòu)的生長。

然而，GaSb基單模激光器存在一個嚴重的問題：為了獲得高質(zhì)量的外延材料，通常需要在波導層和限制層中引入高含量Al 組分，在二次外延生長過程中Al組分會發(fā)生氧化，嚴重影響激光器性能，導致其與二次外延生長法很難兼容。不僅如此，由于銻化物材料帶隙較小，在濕法腐蝕過程中只能采用特定的幾種溶液清洗生成的氧化物，導致刻蝕速度很慢，而干法刻蝕技術(shù)又容易引起材料的損傷，影響器件的光學和電學性能。

為了實現(xiàn)銻化物激光器的單模激射，國際上采用的主流方法是引入側(cè)向耦合分布反饋結(jié)構(gòu)。在一次外延生長完成后，直接將光柵刻蝕在脊波導兩側(cè)，通過光場與表面處側(cè)壁光柵的耦合作用實現(xiàn)模式篩選，避免了二次外延生長。2010年坦佩雷理工大學的HARING研究團隊采用納米壓印技術(shù)，以金屬鉻和氮化硅為媒介，將光柵掩模圖形轉(zhuǎn)移到外延層中，制備了三階光柵。由于技術(shù)不成熟，進行了多次轉(zhuǎn)移，導致光柵掩膜圖形產(chǎn)生了形變，影響光柵性能，邊模抑制比為35 dB。隨后該課題組進一步優(yōu)化納米壓印工藝技術(shù)，并且采用金屬Ni轉(zhuǎn)移掩膜圖形，刻蝕了高質(zhì)量光柵。

國內(nèi)關(guān)于銻化物激光器單模特性的研究起步較晚，中國科學院半導體研究所率先在該領(lǐng)域開展研究，掌握了銻化物單模激光器研制的核心技術(shù)，填補了我國在該領(lǐng)域的空白。中國科學院半導體研究所在2015年首次報道了銻化物單縱模激光器，制備了二階側(cè)壁光柵，室溫連續(xù)工作時邊模抑制比為24 dB。后續(xù)對復耦合單模激光器進行了研究，采用剝離（lift-off）工藝，在條形波導兩側(cè)制備了二階金屬光柵側(cè)向耦合分布反饋（LC-DFB），線寬為60 MHz，邊模抑制比達到了30 dB。進一步優(yōu)化光柵結(jié)構(gòu)工藝，在2019年實現(xiàn)了室溫連續(xù)工作下輸出功率40 mW，在不同溫度和電流條件下，具有穩(wěn)定的單縱模特性，邊模抑制高達53 dB，達到國際領(lǐng)先水平。

圖2 銻化物單模激光器的研究成果組圖

銻化物激光器波長擴展

銻化物激光器的一個優(yōu)勢是波長覆蓋范圍廣，易于實現(xiàn)波長調(diào)諧，可以通過能帶工程調(diào)控實現(xiàn)2μm-4 μm波段有效覆蓋。目前，實現(xiàn)波長拓展的方法主要有兩種：

（a）對由Ⅰ型應(yīng)變量子阱組成的有源區(qū)進行帶隙和應(yīng)變調(diào)控，實現(xiàn)激光器2 μm -3 μm波段的覆蓋。為了實現(xiàn)波長擴展，有源區(qū)內(nèi)勢阱層由InGaSb三元合金變?yōu)镮nGaAsSb四元合金，由于As組分的引入，勢阱能帶整體向下移動，價帶差減小，空穴限制能力減弱，并且波長超過2.7 μm時，俄歇復合效應(yīng)增強，激光器性能快速惡化。為了解決這個問題，2005年Walter Schotty研究所在勢壘區(qū)加入In組分，制備了AlGaInAsSb五元合金勢壘結(jié)構(gòu)，In組分的引入將勢壘區(qū)的能帶整體向下移動，以適當減小導帶帶階為代價來獲得更大的價帶帶階，提升了價帶的空穴限制能力，實現(xiàn)波長拓展。

（b）采用帶間級聯(lián)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)激光器3 μm-4 μm波段的覆蓋。在級聯(lián)結(jié)構(gòu)中，電子和空穴得到重復利用，前一級量子阱中電子躍遷與空穴復合后會注入到下一級量子阱中，激光器的內(nèi)量子效率得到大幅提高。帶間級聯(lián)激光器兼具量子阱結(jié)構(gòu)中電子空穴高輻射復合的優(yōu)勢和級聯(lián)結(jié)構(gòu)高內(nèi)量子效率的優(yōu)勢，不僅如此，相比于量子級聯(lián)結(jié)構(gòu)，帶間級聯(lián)激光器是基于帶間躍遷，躍遷過程不需要聲子輔助，不存在聲子散射效應(yīng)，因此具有更低的閾值電流和更高的特征溫度。

銻化物光泵浦碟片激光器與光子晶體面發(fā)射激光器

光泵浦半導體碟片激光器（OP-SDL）兼具垂直腔面發(fā)射激光器的高光束質(zhì)量、低閾值電流、圓形對稱分布光場的優(yōu)點和二極管泵浦全固態(tài)激光器的高穩(wěn)定性和高能量轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)點，近年來引起了科研人員的廣泛關(guān)注，SDL的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 光泵浦半導體碟片激光器結(jié)構(gòu)圖

光子晶體的概念最早由YABLONOVICH和JOHN在1987年分別獨立提出，經(jīng)過科研人員的探索，光子晶體已經(jīng)應(yīng)用于光纖通信，光子器件集成等領(lǐng)域。近十年，人們利用光子晶體發(fā)展出了拓撲光子學等新興前沿學科，成為了研究領(lǐng)域的熱點。VCSEL的輸出功率通常受到小腔長的限制，基于二維光子晶體的帶邊共振效應(yīng)的光子晶體面發(fā)射激光器（PCSEL）成為一種新型半導體激光器，基本結(jié)構(gòu)如圖4所示，兼具高功率輸出、單模激射、高光束質(zhì)量的優(yōu)點，引起了國內(nèi)外科研人員的廣泛關(guān)注。

圖4 二維光子晶體面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)論

基于銻化物材料的中紅外激光器在醫(yī)療、通訊、環(huán)保等多個領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價值，引起了科研人員的廣泛關(guān)注。通過對外延生長、結(jié)構(gòu)設(shè)計、器件工藝等方面進行探索和優(yōu)化，銻化物半導體激光器的性能得到了顯著提升并逐漸走向商用。為了實現(xiàn)更高性能器件的研制，銻化物半導體激光器仍存在一些難點需要解決：（a）由于GaSb 材料熱導性一般，為了實現(xiàn)更高的功率輸出，需要通過波導層漸變摻雜、限制層漸變摻雜和非對稱摻雜等激光器結(jié)構(gòu)來降低串聯(lián)電阻，進一步提高輸出功率；（b）為了實現(xiàn)大規(guī)模商用，需要進一步優(yōu)化器件工藝，探索低成本高成品率的單模器件制備技術(shù)。

目前國際上銻化物單模激光器已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)，而國內(nèi)正處于實驗室向產(chǎn)業(yè)化過渡的關(guān)鍵階段，相信在科研工作者的不斷努力下，高品質(zhì)銻化物半導體激光器一定會滿足國內(nèi)工業(yè)、民用需求。

論文鏈接：

https://link.cnki.net/urlid/51.1125.TN.20240318.1651.006