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半導體(ti) 材料體(ti) 係的迭代更新一直緊密關(guan) 聯著高新技術的發展。第一代半導體(ti) 材料主要為(wei) 矽（Si）與(yu) 鍺（Ge），第二代半導體(ti) 材料主要為(wei) 砷化镓（GaAs）與(yu) 磷化銦（InP），第三代半導體(ti) 材料主要為(wei) 碳化矽（SiC）與(yu) 氮化镓（GaN）。隨著前三代半導體(ti) 材料及由其製備的典型器件相繼得到廣泛應用，微電子、通信、量子信息、人工智能、碳中和等高新技術獲得了巨大的發展驅動力，並實現變革性突破；與(yu) 此同時，高新技術的快速發展也對半導體(ti) 器件的性能和功耗等提出了更高的要求，促進著半導體(ti) 器件的迭代更新。因此，如何發展實現兼具高性能、低功耗、低成本的第四代半導體(ti) 材料器件技術，已成為(wei) 國際前沿技術領域的研究熱點和重點。

第四代半導體(ti) 材料器件技術的潛在目標材料體(ti) 係主要包括：窄帶隙的銻化镓（GaSb）與(yu) 砷化銦（InAs）、超寬帶隙的氧化镓（Ga2O3）與(yu) 氮化鋁（AlN）、各種低維碳基與(yu) 二維材料。其中，銻化物半導體(ti) 材料是指以鋁（Al）、镓（Ga）、銦（In）等Ⅲ族元素以及砷（As）、銻（Sb）等Ⅴ族元素為(wei) 基礎組成的二元、三元、四元及五元化合物材料，具有紅外發光、能帶可調的物理特性，是天然晶格匹配的材料體(ti) 係，與(yu) 傳(chuan) 統的激光與(yu) 探測材料相比，更是具有晶格匹配性好、均勻性好、單片基片尺寸大、半導體(ti) 製備工藝兼容性高等獨特優(you) 勢，發展潛力巨大，在成像、遙感、傳(chuan) 感、氣體(ti) 探測等諸多方麵具有重要用途，同時也是國際同行公認的新一代紅外中長波段激光、探測、半導體(ti) 光電集成芯片的首選材料體(ti) 係，為(wei) 各種新型功能芯片器件的研究提供了極大的發展空間。

目前，基於(yu) InGaAsSb/AlGaAsSb材料的銻化物Ⅰ型量子阱結構已能實現2~3微米半導體(ti) 激光器的室溫連續瓦級功率輸出，基於(yu) GaInSb/AlSb材料的銻化物Ⅱ型帶間級聯結構已能實現3~4微米半導體(ti) 激光器的室溫連續高功率輸出，其波長在低溫下可延伸拓展至10微米，基於(yu) InAs/GaSb材料的二類超晶格結構的探測器更是實現了近紅外到數十微米甚長波的整個(ge) 紅外區域的完整覆蓋。此外，銻化物半導體(ti) 材料具有小的電子與(yu) 空穴質量，室溫載流子遷移率遠超前三代半導體(ti) 材料體(ti) 係，在實現超低功耗、超高速的微電子集成電路器件方麵具有無可比擬的優(you) 勢，而其良好的熱電性能，則使得各類含銻元素的晶體(ti) 材料在熱電製冷器件研究中展現出不可替代的應用前景。

在國家自然科學基金重大項目及重點項目、國家重點研發計劃項目等的長期支持下，中科院半導體(ti) 研究所牛智川研究員團隊聚焦銻化物新材料體(ti) 係及新器件，深入開展銻化物低維材料能帶調控研究，突破了複雜低維結構大尺寸外延生長的技術難題，發展出多功能、多係列銻化物光電子器件的製備技術。研究團隊從(cong) 經典半導體(ti) 能帶理論出發，創新提出了銻化物數字合金短周期超晶格勢壘結構，發展出分子束外延技術並實現銻化物低維材料原子級高精度可控高重複性外延生長，攻克了銻化物多元複雜化合物係列激光器的製備工藝難題，成功研製了多款高性能銻化物紅外半導體(ti) 激光器，其波長能夠覆蓋2~4微米波段，技術水平處於(yu) 國際一流梯隊。

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短周期超晶格勢壘銻化物

應變量子阱高功率激光器

作為(wei) 大氣窗口的重要波段之一，2~4微米紅外波段不僅(jin) 具有光傳(chuan) 輸優(you) 勢，而且包含眾(zhong) 多的氣體(ti) 分子特征吸收峰，具有高靈敏光吸收特性，而據此衍生出的製導、激光雷達、醫學儀(yi) 器、激光加工、環境監測等多種光電係統的持續發展更離不開半導體(ti) 紅外激光器等核心器件的支撐。進入21世紀以來，銻化物分子束外延材料技術獲得一係列重要突破，並迅速引發銻化物光電器件的研究熱潮，銻化物半導體(ti) 激光器技術日益呈現出重大的應用價(jia) 值和廣闊的應用前景。

傳(chuan) 統銻化物結構有源區價(jia) 帶帶階會(hui) 隨著銦組分的增加而逐漸降低，進而導致其在長波長處出現嚴(yan) 重的載流子泄露以及發光效率下降。為(wei) 解決(jue) 這一難題，研究團隊創新提出了AlSb/AlAs/AlSb/GaSb短周期超晶格數字合金勢壘與(yu) 漸變層新型量子阱結構：通過在量子阱兩(liang) 端增加二元材料短周期超晶格勢壘，利用超晶格薄層材料形成的微帶勢壘實現對空穴載流子的有效限製，成功解決(jue) 了四元合金AlGaAsSb體(ti) 結構量子阱材料的組分精確控製、有源區價(jia) 帶空穴限製不足的難題，提高了2~3微米波段的激光發光效率，同時采用二元超晶格材料構建了與(yu) 四元合金材料相同的有效折射率，構建形成2微米波段大功率高效率數字合金量子阱激光器結構，其最大光電轉換效率達到27.5%，插頭效率超過15%，激光器單管功率提高至1.62瓦，巴條（Bar）功率超過16瓦，在相關(guan) 指標上實現了對銻化物大功率激光器技術封鎖的突破。在此基礎上，研究團隊通過不斷優(you) 化設計，在2021年實現2.043瓦的單管室溫連續輸出功率，這也是目前該指標的國際最高記錄。

在銻化物長波長激光器方麵，2015年研究團隊通過在有源區中引入高銦組分和AlGaInAsSb五元合金勢壘，以犧牲導帶帶階的代價(jia) 提高價(jia) 帶帶階，將銻化物Ⅰ類量子阱光致發光的波長拓展到3.83微米，同年實現了2.4微米激光器的室溫連續激射。在隨後的幾年中，研究團隊實現了2~3微米激光器的室溫連續激射，其中2.6微米激光器的室溫連續激射功率為(wei) 325毫瓦，2.75微米激光器的室溫連續輸出功率為(wei) 60毫瓦，這也是國內(nei) 首次基於(yu) 銻化物Ⅰ型量子阱結構實現的2~3微米半導體(ti) 激光器的完整覆蓋。

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銻化物帶間級聯激光器和單模激光器

帶間級聯激光器是一種介於(yu) 傳(chuan) 統雙極型帶間躍遷激光器與(yu) 單極型量子級聯激光器之間的混合型激光器，既具有帶間躍遷無需聲子參與(yu) 的優(you) 點，又可通過載流子的隧穿躍遷實現單個(ge) 電子發生多次躍遷並產(chan) 生多個(ge) 光子，具有很高的量子效率。帶間級聯激光器通過帶間躍遷來發射光子，能夠較好地避免由量子級聯激光器中子帶間光聲子輻射而引發的非輻射複合，具有更低的閾值電流密度和更高的特征溫度。此外，由於(yu) 其有源區的激射波長主要由量子阱的寬度決(jue) 定，因此在外延層的設計中可以采用成熟的材料結構，通過調整阱寬來獲得更大範圍的激光波長，尤其在3~4微米波段與(yu) Ⅰ型量子阱結構相比具有絕對優(you) 勢。

研究團隊基於(yu) 維加德定律（Vegard’s Law）以及8帶k•p模型，對銻化物多元化合物材料的晶格常數、禁帶寬度、價(jia) 帶帶階差、折射率等關(guan) 鍵參數進行了計算，並在此基礎上，對AlSb/InAs/InGaSb/InAs的“W”型二類量子阱開展了深入研究：模擬了其能帶結構、導帶與(yu) 價(jia) 帶帶階差、能級位置與(yu) 發光波長、波函數分布，並計算了其在電壓下量子阱的準費米能級分裂（QFLS）、載流子注入濃度、光增益；分析了二類量子阱帶間級聯激光器的結構和工作原理，優(you) 化了帶間級聯激光器采用的“W”型量子阱的襯底溫度，並通過調整Ⅴ/Ⅲ比，解決(jue) 了“W”型量子阱中InGaSb空穴阱的As並入問題；通過調整InAs電子阱的厚度來調節“W”型量子阱的發光波長，驗證了其可覆蓋整個(ge) 中紅外波段；設計和模擬了各個(ge) 功能區之間的過渡層，並對全器件結構的晶圓片進行了表征；此外，在優(you) 化刻蝕條件的基礎上，確定了半導體(ti) 工藝製程，實現了晶圓到實際器件的製備，並設計了中紅外帶間級聯激光器的腔麵膜，最終實現帶間級聯激光器的室溫連續工作，其工作波長為(wei) 3.5微米，閾值電流密度為(wei) 267安培/平方 厘米（A/cm2） ，鍍膜後輸出功率為(wei) 55毫瓦。該項成果填補了國內(nei) 在中紅外波段銻化物帶間級聯結構激光器方麵的技術空白。

在氣體(ti) 檢測、量子通信等領域中，高性能的銻化物激光種子源都具有重要的應用價(jia) 值。為(wei) 此，研究團隊深入研究了銻化物側(ce) 耦合分布反饋半導體(ti) 激光器：2016年通過全息曝光技術，實現了銻化物單模激光器的室溫連續工作，輸出功率為(wei) 10毫瓦，邊模抑製比（SMSR）為(wei) 24分貝；2018年完成銻化物的剝離（Lift-off）工藝開發，實現了邊模抑製比為(wei) 35分貝的單模激光；2019年通過優(you) 化金屬光柵結構設計和製備工藝，實現了室溫連續輸出功率為(wei) 40毫瓦、邊模抑製比為(wei) 53分貝的單模激光，相關(guan) 成果發表在《應用物理快報》(Applied Physics Letters)，之後國際半導體(ti) 產(chan) 業(ye) 雜誌《化合物半導體(ti) 》（Compound Semiconductor）給出了“該類型激光器為(wei) 天基星載雷達係統和氣體(ti) 檢測係統提供了有競爭(zheng) 力的光源器件”的評價(jia) ；2021年，研究團隊通過進一步優(you) 化三階側(ce) 壁光柵分布反饋結構，實現了室溫連續輸出功率為(wei) 60毫瓦的單模激光，並將最大邊模抑製比提高至57分貝，這標誌著研究團隊在銻化物單模激光器的研究工作已經處於(yu) 國際領先水平。

如今，銻化物材料在2~4微米波段的中紅外激光愈發表現出不可替代的關(guan) 鍵性作用，其二類超晶格材料在近紅外到遠紅外焦平麵探測器的研發過程中也實現了跨越式發展和典型應用。圍繞紅外激光和探測技術發展而來的第四代銻化物半導體(ti) 器件也已展現出向高性能、低功耗、低成本發展的巨大潛力，而在關(guan) 鍵光電器件技術開發方麵的不可替代性更是其能夠成為(wei) 國際前沿技術研究焦點的重要原因。以中國科學院半導體(ti) 研究所為(wei) 代表的國內(nei) 科研單位通過多年的技術積累和攻關(guan) ，逐漸形成了從(cong) 銻化物材料的概念、理論研究、材料生長優(you) 化、器件設計，到製備工藝開發、集成光電芯片製造及封裝測試的全產(chan) 業(ye) 、全國產(chan) 化鏈條。在國家重大需求牽引、科技創新驅動、國際一流技術水平支撐的合力帶動下，我國第四代銻化物半導體(ti) 技術已實現從(cong) 原始概念到器件的製備，並正在漸次實現由實驗室研究向批量化生產(chan) 及工業(ye) 化廣泛應用的階段性轉換。

致謝：感謝國家自然科學基金重大項目“銻化物低維結構中紅外激光器基礎理論與(yu) 關(guan) 鍵技術”（項目編號：61790580）的支持。

本文刊登於(yu) IEEE Spectrum中文版《科技縱覽》2021年10月刊。

專(zhuan) 家簡介

牛智川：中國科學院半導體(ti) 研究所研究員、國家傑出青年基金獲得者。

徐應強：中國科學院半導體(ti) 研究所研究員。

張宇：中國科學院半導體(ti) 研究所副研究員。

楊成奧：中國科學院半導體(ti) 研究所助理研究員。

陳益航：中國科學院半導體(ti) 研究所研究生。

王天放：中國科學院半導體(ti) 研究所研究生。

餘(yu) 紅光：中國科學院半導體(ti) 研究所研究生。

石建美：中國科學院半導體(ti) 研究所研究生。