综述:高性能锑化物中红外半导体激光器研究进展

MEMS 2024-04-13 00:01

半导体材料体系经历了三次重要迭代,在微电子、通信、人工智能、碳中和等重要领域得到了广泛应用。随着高新技术的快速发展,锑化物半导体作为最具发展前景的第四代半导体材料之一,在开发下一代高性能、小体积、低功耗、低成本的红外光电器件领域具有独特的优势和广阔的应用前景。

据麦姆斯咨询报道,近期,由中国科学院半导体研究所和中国科学院大学组成的科研团队受邀在《激光技术》期刊上发表了以“高性能锑化物中红外半导体激光器研究进展”为主题的文章。该文章第一作者为曹钧天,通讯作者为杨成奥和牛智川研究员。

这项研究综述了锑化物半导体激光器的的发展过程和国内外的研究现状,分析了器件结构设计、材料外延、模式选择、波长扩展等关键问题,采用分子束外延技术生长了高性能锑化物量子阱激光器,阐述了实现大功率、单模、高光束质量的锑化物激光器的设计方案和关键工艺技术。最后对兼具低成本、高成品率、大功率等优异特性的单模锑化物激光器的研究前景进行了展望。

锑化物大功率激光器

材料生长技术和器件外延结构是影响锑化物激光器输出功率的关键因素,经过数十年的发展和国内外相关研究单位的不断探索优化,在此方面取得了很大的进展。

1985年贝尔实验室首次采用液相外延生长技术制备了室温工作的锑化物脉冲激光器。随着材料生长设备的不断发展,金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD)和分子束外延(MBE)替代液相外延成为了外延生长的主流技术。由于激光器的阈值电流过高会严重影响器件性能,科研人员急需寻找新的外延结构改善器件性能。激光器的内部损耗是限制输出功率的一个重要因素,大光腔结构带来串联电阻过大的问题。

中国科学院半导体研究所在2010年首次采用MBE生长的2 μm InGaSb/InGaAsSb激光器,实现了室温连续激射。基于对新型外延结构的探索,研究人员提出了一种渐变Al组分的AlGaAsSb层生长方法,通过精确控制MBE设备的生长温度和针阀位置,实现了渐变层的完美晶格匹配和完整外延结构的原子级光滑表面。大功率激光器通常采用宽波导结构,存在高阶横模输出,宽远场发散角的问题。研究人员针对此问题设计了一种用于模式滤波的片上微结构,实现了良好的模场控制。在面向硅基集成的器件应用中,研究人员基于锑化物材料体系,设计了一种GaSb基超辐射发光二极管,采用高外延质量的InGaSb/AlGaAsSb量子阱增益材料实现功率提升,同时为了防止高电流注入时产生激射,采用反射率0.04%的Ta₂O₅/SiO₂超低抗反膜制备抑制腔。这种组合结构使得超辐射发光二极管在室温连续工作时性能取得突破性提高。

图1 锑化物大功率激光器的研究成果组图

锑化物单模激光器

在气体检测、激光通信等重要应用中,需要激光器具有窄线宽和稳定单模的特性。大功率Fabry-Perot(F-P)腔激光器通常是多波长激射,难以实现单模输出,因此需要引入滤波结构进行波长筛选。国际上实现单模激光最有效的方法是引入周期性布拉格光栅,基于选模光栅不同的结构和位置,主要分为分布布拉格反馈(DFB)、分布布拉格反射镜(DBR)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)等结构。

由于近红外通信波段的市场需求量大,GaAs基和InP基单模激光器起步较早,技术发展相对成熟,已经实现大规模商用,传统的InP基DFB激光器制备采用二次外延技术,在无铝组分的波导层生长完成后,停止生长,在波导层表面刻蚀光栅结构,清洗后将外延片送回生长室内完成激光器全结构的生长。

然而,GaSb基单模激光器存在一个严重的问题:为了获得高质量的外延材料,通常需要在波导层和限制层中引入高含量Al 组分,在二次外延生长过程中Al组分会发生氧化,严重影响激光器性能,导致其与二次外延生长法很难兼容。不仅如此,由于锑化物材料带隙较小,在湿法腐蚀过程中只能采用特定的几种溶液清洗生成的氧化物,导致刻蚀速度很慢,而干法刻蚀技术又容易引起材料的损伤,影响器件的光学和电学性能。

为了实现锑化物激光器的单模激射,国际上采用的主流方法是引入侧向耦合分布反馈结构。在一次外延生长完成后,直接将光栅刻蚀在脊波导两侧,通过光场与表面处侧壁光栅的耦合作用实现模式筛选,避免了二次外延生长。2010年坦佩雷理工大学的HARING研究团队采用纳米压印技术,以金属铬和氮化硅为媒介,将光栅掩模图形转移到外延层中,制备了三阶光栅。由于技术不成熟,进行了多次转移,导致光栅掩膜图形产生了形变,影响光栅性能,边模抑制比为35 dB。随后该课题组进一步优化纳米压印工艺技术,并且采用金属Ni转移掩膜图形,刻蚀了高质量光栅。

国内关于锑化物激光器单模特性的研究起步较晚,中国科学院半导体研究所率先在该领域开展研究,掌握了锑化物单模激光器研制的核心技术,填补了我国在该领域的空白。中国科学院半导体研究所在2015年首次报道了锑化物单纵模激光器,制备了二阶侧壁光栅,室温连续工作时边模抑制比为24 dB。后续对复耦合单模激光器进行了研究,采用剥离(lift-off)工艺,在条形波导两侧制备了二阶金属光栅侧向耦合分布反馈(LC-DFB),线宽为60 MHz,边模抑制比达到了30 dB。进一步优化光栅结构工艺,在2019年实现了室温连续工作下输出功率40 mW,在不同温度和电流条件下,具有稳定的单纵模特性,边模抑制高达53 dB,达到国际领先水平。

图2 锑化物单模激光器的研究成果组图

锑化物激光器波长扩展

锑化物激光器的一个优势是波长覆盖范围广,易于实现波长调谐,可以通过能带工程调控实现2 μm-4 μm波段有效覆盖。目前,实现波长拓展的方法主要有两种:

(a)对由Ⅰ型应变量子阱组成的有源区进行带隙和应变调控,实现激光器2 μm -3 μm波段的覆盖。为了实现波长扩展,有源区内势阱层由InGaSb三元合金变为InGaAsSb四元合金,由于As组分的引入,势阱能带整体向下移动,价带差减小,空穴限制能力减弱,并且波长超过2.7 μm时,俄歇复合效应增强,激光器性能快速恶化。为了解决这个问题,2005年Walter Schotty研究所在势垒区加入In组分,制备了AlGaInAsSb五元合金势垒结构,In组分的引入将势垒区的能带整体向下移动,以适当减小导带带阶为代价来获得更大的价带带阶,提升了价带的空穴限制能力,实现波长拓展。

(b)采用带间级联结构,实现激光器3 μm-4 μm波段的覆盖。在级联结构中,电子和空穴得到重复利用,前一级量子阱中电子跃迁与空穴复合后会注入到下一级量子阱中,激光器的内量子效率得到大幅提高。带间级联激光器兼具量子阱结构中电子空穴高辐射复合的优势和级联结构高内量子效率的优势,不仅如此,相比于量子级联结构,带间级联激光器是基于带间跃迁,跃迁过程不需要声子辅助,不存在声子散射效应,因此具有更低的阈值电流和更高的特征温度。

锑化物光泵浦碟片激光器与光子晶体面发射激光器

光泵浦半导体碟片激光器(OP-SDL)兼具垂直腔面发射激光器的高光束质量、低阈值电流、圆形对称分布光场的优点和二极管泵浦全固态激光器的高稳定性和高能量转换效率的优点,近年来引起了科研人员的广泛关注,SDL的基本结构如图3所示。

图3 光泵浦半导体碟片激光器结构图

光子晶体的概念最早由YABLONOVICH和JOHN在1987年分别独立提出,经过科研人员的探索,光子晶体已经应用于光纤通信,光子器件集成等领域。近十年,人们利用光子晶体发展出了拓扑光子学等新兴前沿学科,成为了研究领域的热点。VCSEL的输出功率通常受到小腔长的限制,基于二维光子晶体的带边共振效应的光子晶体面发射激光器(PCSEL)成为一种新型半导体激光器,基本结构如图4所示,兼具高功率输出、单模激射、高光束质量的优点,引起了国内外科研人员的广泛关注。

图4 二维光子晶体面发射激光器结构示意图

结论

基于锑化物材料的中红外激光器在医疗、通讯、环保等多个领域有着重要的应用价值,引起了科研人员的广泛关注。通过对外延生长、结构设计、器件工艺等方面进行探索和优化,锑化物半导体激光器的性能得到了显著提升并逐渐走向商用。为了实现更高性能器件的研制,锑化物半导体激光器仍存在一些难点需要解决:(a)由于GaSb 材料热导性一般,为了实现更高的功率输出,需要通过波导层渐变掺杂、限制层渐变掺杂和非对称掺杂等激光器结构来降低串联电阻,进一步提高输出功率;(b)为了实现大规模商用,需要进一步优化器件工艺,探索低成本高成品率的单模器件制备技术。

目前国际上锑化物单模激光器已经实现了商业化生产,而国内正处于实验室向产业化过渡的关键阶段,相信在科研工作者的不断努力下,高品质锑化物半导体激光器一定会满足国内工业、民用需求。

论文链接:

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

延伸阅读:

《带间级联激光器和量子级联激光器技术及市场-2021版》

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