綜述：高性能銻化物中紅外半導(dǎo)體激光器研究進(jìn)展

半導(dǎo)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(dǎo)體作為最具發(fā)展前景的第四代半導(dǎo)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(dú)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(xué)院半導(dǎo)體研究所和中國科學(xué)院大學(xué)組成的科研團(tuán)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(dǎo)體激光器研究進(jìn)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(dǎo)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(kuò)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(shí)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(jìn)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(jìn)展。

1985年貝爾實(shí)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(jī)化合物化學(xué)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(yán)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(xué)院半導(dǎo)體研究所在2010年首次采用MBE生長的2 μm InGaSb/InGaAsSb激光器，實(shí)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(shí)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(dǎo)結(jié)構(gòu)，存在高階橫模輸出，寬遠(yuǎn)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)單模輸出，因此需要引入濾波結(jié)構(gòu)進(jìn)行波長篩選。國際上實(shí)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(shí)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(dǎo)層生長完成后，停止生長，在波導(dǎo)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(yán)重的問題：為了獲得高質(zhì)量的外延材料，通常需要在波導(dǎo)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(yán)重影響激光器性能，導(dǎo)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(dǎo)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(xué)和電學(xué)性能。

為了實(shí)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(dǎo)兩側(cè)，通過光場與表面處側(cè)壁光柵的耦合作用實(shí)現(xiàn)模式篩選，避免了二次外延生長。2010年坦佩雷理工大學(xué)的HARING研究團(tuán)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(jìn)行了多次轉(zhuǎn)移，導(dǎo)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(jìn)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(xué)院半導(dǎo)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(bǔ)了我國在該領(lǐng)域的空白。中國科學(xué)院半導(dǎo)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(fù)耦合單模激光器進(jìn)行了研究，采用剝離（lift-off）工藝，在條形波導(dǎo)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(dá)到了30 dB。進(jìn)一步優(yōu)化光柵結(jié)構(gòu)工藝，在2019年實(shí)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(dá)53 dB，達(dá)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(kuò)展

銻化物激光器的一個優(yōu)勢是波長覆蓋范圍廣，易于實(shí)現(xiàn)波長調(diào)諧，可以通過能帶工程調(diào)控實(shí)現(xiàn)2μm-4 μm波段有效覆蓋。目前，實(shí)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(jìn)行帶隙和應(yīng)變調(diào)控，實(shí)現(xiàn)激光器2 μm -3 μm波段的覆蓋。為了實(shí)現(xiàn)波長擴(kuò)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(fù)合效應(yīng)增強(qiáng)，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(dāng)減小導(dǎo)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(shí)現(xiàn)波長拓展。

（b）采用帶間級聯(lián)結(jié)構(gòu)，實(shí)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(fù)利用，前一級量子阱中電子躍遷與空穴復(fù)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(fù)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(dǎo)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(diǎn)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(diǎn)，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(dǎo)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(dú)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?fù)涔庾訉W(xué)等新興前沿學(xué)科，成為了研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。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(dǎo)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(diǎn)，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(jìn)行探索和優(yōu)化，銻化物半導(dǎo)體激光器的性能得到了顯著提升并逐漸走向商用。為了實(shí)現(xiàn)更高性能器件的研制，銻化物半導(dǎo)體激光器仍存在一些難點(diǎn)需要解決：（a）由于GaSb 材料熱導(dǎo)性一般，為了實(shí)現(xiàn)更高的功率輸出，需要通過波導(dǎo)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(jìn)一步提高輸出功率；（b）為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商用，需要進(jìn)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(shí)現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)，而國內(nèi)正處于實(shí)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(dǎo)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