锑化物半导体激光器研究进展_陈益航.pdf

第37卷第6期2022年12月光电技术应用ELECTRO-OPTIC TECHNOLOGYAPPLICATIONVol.37，No.6December，2022相较于GaAs、InP等发展较为成熟的III-V光电子材料体系，锑化物材料有其自身的特点。GaAs基与InP基I类量子阱激光器在近红外与短波红外波段有着天然的优势，在长波甚至是远红外也可以通过II类量子阱方案表现出良好的性能，但是在中红外波段遇到了困难，无论是I类量子阱方案还是II类量子阱方案都难以得到满意的效果。得益于其能带结构，锑化物材料体系可以填补这一应用上的空缺。I类量子阱锑化物激光器性能在23 m相对于其他基于半导体材料体系的激光器具有绝对的领先；在34 m，II类量子阱锑化物激光器也有自己的独特优势。尽管从原理上已经意识到锑化物激光器的应用前景，但是受限于制备手段与设计理念，锑化物激光器在早期的性能并不理想。1979 年，KOBAYASHI等人1使用LPE实现了InGaAsSb/AlGaAsSb双异质结激光器的室温工作，工作波长为1.8 m，阈值电流密度为 5 kA/cm2。1985 年，CANEAU 等人2使用 LPE 制备的 InGaAsSb/AlGaAsSb 双异质结激光器将其室温工作波长扩展至2.2 m，阈值电流密度则为6.9 kA/cm2。随着MBE与MOCVD等先进外延技术的使用，锑化物激光器开始了快速的发展。1986年，Bell实验室的CHIU等人3将MBE技术应用于锑化物激光器的制备，得到的InGaSb/AlGaAsSb双异质结激光器室温脉冲激射波长为2.2 m，阈值电流密度为4.2 kA/cm2。同时，MOCVD制备也曾作为竞争方案在林肯实验室进行了一定的研究。1997年，CHOI等人4使用MOCVD制备了InGaAsSb/AlGaAsSb量子阱激光器，在2.1 m实现了室温脉冲工 作，阈 值 电 流 密 度 为 1.2 kA/cm2。但 是 由 于 激光技术 锑化物半导体激光器研究进展陈益航1,2，杨成奥1,2，王天放1,2，张宇1,2*，徐应强1,2，牛智川1,2*，等（1.中国科学院半导体研究所 超晶格国家重点实验室，北京；2.中国科学院大学 材料科学与光电技术学院，北京；3.中国电子科技集团公司第四十一研究所，山东 青岛）摘要：锑化物半导体激光器是目前能够覆盖中红外波段的主要手段。锑化物半导体激光器经过多年的研究和发展，已经逐渐的走向成熟。由于在这个波段具有很多气体分子的吸收峰以及具有较高透过率的大气窗口，使得中红外锑化物半导体激光器在气体检测、材料加工以及自由空间光通信等领域具有重要的作用。关键词：锑化物；中红外激光；气体检测；自由空间光通信中图分类号：TN248.4文献标识码：A文章编号：1673-1255（2022）-06-0033-05Research Progress of GaSb-based Diode LaserCHEN Yihang1,2,YANG Chengao1,2,WANG Tianfang1,2,ZHANG Yu1,2*,XU Yingqiang1,2,NIU Zhichuan1,2*,et al(1.State Key Laboratory of Super-lattices for Semiconductors,Chinese Academy of Sciences,Beijing,China;2.College of Materials Science and Opto-Electronic Technology,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing,China;3.The 41stInstitute of CETC,Qingdao,China)Abstract:GaSb-based diode lasers are the main method to cover mid-infrared waveband.As have been studied many years,GaSb-based diode lasers are developed enough for practical applications.For having the vast majority of gaseous molecules exhibit strong absorption lines and higher transparency atmospheric window,GaSb-baseddiode lasers have important applications in gas detection,material processing and free space optical communication.Key words:GaSb-based;mid-infrared waveband;gas detection;free space optical communication收稿日期：2021-10-23基金项目：国家自然科学基金（62127804）；广东省重点研发计划（2020B030320001）光电技术应用第37卷MOCVD的制备环境中氧含量过高，激光器的性能并不如同时期采用MBE外延的器件。在半导体激光器发展的最早期，有源区为同质结。1963 年，KROEMER5提出半导体异质结激光器的构想；1972年，CHARLES H H提出了量子阱结构激光器。1992年，CHOI等人6首次将量子阱的设计应用于锑化物激光器，使得输出功率大幅提升，阈值电流显著降低，其激射波长为2.1 m，电流密度低至 260 A/cm2，室温单面输出功率 190 mW。1996年，GARBUZOV等人7又采用了多应变量子阱作为有源区，实现了1.2 W的室温输出功率，阈值电流密度为300 A/cm2。非有源区也经历了一系列的改进过程。一个重要的里程碑就是 SCH 概念的提出。1996 年，GARBUZOV 等人7首次在锑化物激光器中使用了SCH结构，通过将有源区与掺杂的限制层使用不掺杂的波导层分隔开便是形成了 SCH 结构，明显将激光器的内部损耗降低。基于此，又相继提出了宽波导结构、大光腔结构和窄波导结构。1997 年，GARBUZOV 等人8通过宽波导 InGaAsSb/AlGaAsSb单量子阱器件实现连续波输出1.9 W，阈值电流密度低至 115 A/cm2。2002 年，RATTUNDE 等人9提出大光腔 P 面倒装结构，激光器的输出功率进一步提升，通过三对应变量子阱以及 400 nm 厚的Al0.29Ga0.71As0.02Sb0.98波导层，实现最大室温激射功率1.7 W。2006 年，RATTUNDE 等人10又采用窄波导结构，将远场发散角降低到44的同时，实现2 m室温连续激射1.96 W。带间级联激光器的概念最早由杨瑞青11提出。2008年，美国海军实验室12报道了锑化物带间级联激光器的室温连续激射，激射波长3.7 m。之后于2014年，通过“载流子再平衡”以及短注入区和宽波导的设计，实现3.5 m的592 mW的室温大功率连续激射13。2014 年，纽约大学石溪分校14报道了大功率I 类量子阱级联激光器，其激射波长 3 m，室温连续大功率 960 mW。并于 2016 年，实现量子阱级联激光器在 2 m 的室温连续大功率接近 2 W 的输出15。目前，国际上GaSb基半导体激光器已经开始从实验室走向产品化，开展锑化物半导体激光器的重要性和紧迫性是不言而喻的。1锑化物半导体激光器的原理1.1锑化物半导体激光器原理锑化物激光器通常直接通过MBE制备于GaSb衬底上，所使用的材料为GaSb、AlSb、InAs等二元化合物及由此衍生的三元、四元化合物。上述的材料体系晶格常数由于接近 6.1，又被称为 6.1 族。得益于6.1 族二元材料多样的禁带宽度，可以通过调节材料中各元素的组分实现对其禁带宽度的灵活调节；同时又可以在外延过程中精确控制各层的厚度，最终得到设计复杂的半导体激光器。典型的锑化物半导体激光器包含限制层、波导层、有源区、电极接触层。激光器上下限制层的作用是凭借其与波导层之间的导带、价带带阶差对载流子实现空间上的约束。波导层则来源于SCH的设计，凭借着高于限制层的折射率可以抑制光场进入限制层与衬底，从而实现降低器件内损耗的目的。有源区即发生受激辐射的区域，是使得激光器工作的核心区域。接触层用于与外部电极形成欧姆接触提升激光器的效率，同时也起着防止内部结构被氧化的作用。I类量子阱激光器的能带结构图如图1所示。由于目前常用的衬底为n型的GaSb衬底，通常采用高 Al组分的 AlGaAsSb四元合金作为限制层，并使用Te对下限制层进行n型掺杂，使用Be对上限制层进行p型掺杂。波导层采用不掺杂的低Al组分AlGaAsSb，实现更好的载流子与光场的分别限制。有源区的势垒使用与波导层相同的材料，势阱使用Al0.5GaAsSb限制层 InGaSb量子阱 Al0.5GaAsSb限制层Al0.25GaAsSb波导层与势垒层图1 GaSb基I型量子阱激光器能带示意图34第6期陈益航等：锑化物半导体激光器研究进展压应变的InGaSb或者InGaAsSb。I类量子阱级联激光器的能带结构图如图2所示。I类量子阱级联激光器的基本结构与I类量子阱激光器相同，区别在于I类量子阱激光器的两个量子阱之间插入了 AlGaAsSb 渐变势垒层、GaSb/AlSb/InAs隧穿层和InAs/AlSb电子注入区。在前一个量子阱中复合的电子通过隧穿进入GaSb层，并在GaSb/AlSb/InAs 隧穿层内完成从价带到导带的隧穿，随后在InAs/AlSb电子注入区逐渐提升能量，最终进入后一个量子阱，从而实现单个电子的两次发光。II类量子阱带间级联激光器基本结构与I类量子阱激光器相似，但是所使用的材料有所区别。II类量子阱带间级联激光器的有源区能带结构图如图3所示。目前常用的 II 类量子阱为 AlSb/InAs/InGaSb/InAs/AlSb W 型量子阱，该类量子阱的电子分布于InAs层中，空穴分布于InGaSb层中，并通过带间斜跃迁实现载流子的复合。在量子阱之间由 GaSb/AlSb空穴注入区和InAs/AlSb电子注入区实现电子和空穴的再利用。为保证足够的载流子与光场限制，II类量子阱带间级联激光器使用GaSb作为波导层，限制层使用的材料为InAs/AlSb。1.2技术特点目前锑化物半导体激光器主要包括I型量子阱激光器、I型量子阱级联激光器以及II型的带间级联激光器。其中I型量子阱激光器以及I型量子阱级联激光器的主要优势波段在1.83.5 m波段，其具有瓦级的室温连续输出功率，其中在2 m附近已经可以实现接近2 W的大功率输出，而在3 m附近已经可以实现接近1 W的大功率输出。这种I型的激光器由于结构较为简单，性能稳定，可以具有较高的光电转换效率和工作温度。此外，为了方便集成到光学系统上，高光束质量的 GaSb基单横模半导体激光器已经可以实现接近 500 mW 的大功率输出。此外，锑化物 DFB 激光器也已经实现了边模抑制比大于 50 dB 的大功率输出。对于 II 类带间级联激光器，目前已经成为覆盖34 m波段的主要手段，其可以实现3.5 m及以上692 mW的大功率输出。其波长目前已经可以实现室温连续工作到 2.96.2 m，低温已经可以实现接近10 m的激光输出。2应用场景2.1气体检测甲烷、一氧化碳、硫化氢等有毒或易燃易爆气体是工业生产过程中的安全隐患，对其在空气中含量的监控是安全生产必不可少的环节。红外波段包含了大量气体分子的特征振动跃迁吸收谱，在该波段发展的可调谐半导体激光器吸收光谱技术（TDLAS）便成了气体检测的理想方案。TDLAS 利用可调谐半导体激光器的窄线宽和波长随注入电流改变的特性实现对分子的单个或几个距离很近很难分辨的吸收线的测量，具有