Research progress of 2-4 μm mid-infrared antimonide semiconductor lasers (Invited)

以锑化物激光器为代表的中红外激光器在2~4 μm的红外窗口波段具有巨大的应用价值，可以广泛的应用于医疗美容，工业生产，环境监管等关系国计民生的重要领域^[1-4]。锑化物半导体材料指的包含Al、Ga、In、As、Sb等Ⅲ-V族元素在内的多元化合物合金材料（见图1）、具有窄禁带直接跃迁发光的独特优势，兼具重量轻、可直接调制、波长覆盖范围广等多种优势。越来越受到研究人员的关注，逐渐成为2~4 μm波段半导体激光光源的研究热点^[5]。

Figure 1.  Band gap and lattice constant of Ⅲ-V part alloy^[6]

国际上锑化物激光器的研制源自20世纪7、80年代，早期的工作受限于材料生长技术，锑化物激光器各类指标参数都很低。进入21世纪后，多种结构的激光器被相继报道：包括优势波长在2~3 μm的I型应变量子阱结构、优势波长在3~4 μm的Ⅱ型带间级联结构、基于侧向耦合分布反馈结构的单模激光器和可以实现大功率窄线宽的光泵浦碟片激光器结构。目前已经实现2~4 μm波长的完整覆盖，锑化物大功率激光器实现了室温连续激射功率2 W、单bar条输出功率16 W、叠阵输出功率140 W的指标记录；锑化物单模激光器则实现了几十毫瓦室温连续输出，边模抑制比覆盖25~50 dB；锑化物光泵浦碟片激光器则实现了近衍射极限输出17 W^[7-10]。多家公司已经推出了基于锑化物材料的商用激光器，锑化物半导体激光器开始从实验室向商业化生产快速过渡。

中国科学院上海微系统所，长春理工大学等国内单位在锑化物材料的研究工作也做出了重要贡献，先后实现了该2 μm波段的FP腔激光器室温脉冲和连续激射^[11-12]。进入21世纪后，中国科学院半导体所在锑化物激光器研究和性能的进一步提升上发挥了巨大作用。2010年实现了锑化物FP腔应变量子阱激光器的室温连续工作^[13]，随后几年迅速将激光器输出功率提高到瓦量级，快速追赶国际指标^[14-17] ，2017年通过优化外延生长技术和干法刻蚀技术，将激光器单管连续功率提升到1.5 W，单Bar功率提高到8.5 W，2019年通过引入数字合金势垒结构进一步将锑化物FP腔激光器单管输出功率提高到1.62 W，单Bar功率提高到16 W，引领了国内锑化物大功率激光器的发展方向。2020年进一步将锑化物单管输出功率提高到2 W。在向长波长拓展方面，通过优化应变、引入五元势垒和改变能带结构，中国科学院半导体所组实现了2~3 μm波段全波长的覆盖式激射^[15]。2018年，中科院半导体所采用II型带间级联结构，成功实现了3.45 μm波长的室温连续激射输出功率40 mW，同年，与长春光机所合作的基于锑化物的2 μm波段光泵浦碟片激光器实现了国内的首次室温连续激射，近衍射极限输出，功率0.5 W，2019年进一步提高到1.2 W。在单模激光器方面，2016年半导体所实现了锑化物折射率导引分布反馈单模激光器的室温连续激射，边模抑制比（SMSR）达到24 dB，单面输出功率10 mW^[18]，随后通过优化光栅的耦合系数，进一步将锑化物单模激光器的SMSR提高到41 dB，输出功率也进一步增加到35 mW，线宽压缩到10 MHz^[19]。2018年采用金属光栅结构将锑化物单模激光器的边模抑制比提高到53 dB，输出功率超过40 mW，线宽小于9 MHz，同年国内首次实现了锑化物布拉格反射镜单模激光器室温连续激射。总的来说，中国科学院半导体所着力于锑化物激光器的材料生长和器件制备工作，引领了国内相关领域研究方向的同时，部分器件性能指标已经接近或者超过国外最好水平，极大的提高了国内锑化物激光器整体研究水平。

文中将针对锑化物激光器外延生长，结构设计和制备技术进行分析与总结，重点介绍锑化物激光器的外延、器件结构设计和已经实现的技术指标并指出该类激光器性能优化的重点研发方向。

锑化物大功率多模激光器的发展与其外延结构的设计和研究密不可分，近些年来，国内外相关研究单位在此方面取得了很大的进展。

（1）应变量子阱结构：应变量子阱结构相比于传统的双异质结结构可以有效的提高锑化物激光器的光电性能，其引入的应变效应和量子效应，对于降低激光器阈值电流密度和拓展锑化物激光器的波长覆盖范围具有重要作用，其基本能带结构如图2所示。1992年，Choi等人首次报道了室温连续单面出光功率190 mW的量子阱结构器件^[20]。随后锑化物激光器输出功率得到大幅提升，阈值电流密度稳步降低。1996年David Sarnoff研究中心引入分别限制结构，报道的锑化物2 μm波段激光器，最大输出功率达1.2 W。

Figure 2.  Schematic energy-band structure of antimonide laser^[6]

（2）宽波导大光腔结构：宽波导结构的主要出发点是为了降低掺杂在限制层中的自由载流子的光学损耗，从而保证激光器工作在较低的内损耗模式下，这种大光腔结构可以增大激光光束近场的尺寸，减小出光面的光功率密度，在增大激光器出光功率的同时，有效增加器件的寿命。2002年，Rattunde等人报道了采用三对压应变量子阱(In_0.22Ga_0.78Sb/Al_0.29Ga_0.71As_0.02Sb_0.98)结构，有源区两边为400 nm的Al_0.29G_a0.71As_0.02Sb_0.98波导层，限制层采用的是2 μm的Al_0.84Ga_0.16As_0.06Sb_0.94。激射波长在1.98 μm，实现室温最大激射功率1.7 W^[21]。

（3）窄波导和非对称波导结构，窄波导结构降低了外延层中铝组分的含量，从Al_0.9Ga_0.1As_0.02Sb_0.98降低到Al_0.5Ga_0.5As_0.02Sb_0.98，在优化了有源区光限制因子同时，减少外延层中的光损耗，避免了大光腔结构的引入所导致的串联电阻偏大的问题。2006年，Rattunde等人采用窄波导结构，将远场发散角降低到半高宽44°，实现2 μm室温连续激射1.96 W^[22]。然而，窄波导的引入导致了光场与P面高掺杂的光学损耗区交叠程度增加，影响了器件性能的进一步提升。通过引入非对称波导结构，可以将光场压缩进光损耗较小的N面波导层，利用N型掺杂限制层弱的自由载流子吸收降低有源区光损耗，有效解决窄波导光损耗大的难题^[12]。

（4）阻挡层和级联结构：其基本能带结构如图3所示，在长波长锑化物应变量子阱激光器的外延结构设计中，小的价带带阶差是导致大的器件漏电流和较差的温度特性的直接原因，Jianfeng Chen等人在引入非对称波导结构后，为了补偿带阶过小，在P面限制层和波导层之间增加了20 nm AlSb电子阻挡层；在N面限制层和波导层之间增加了5 nm AlAs_0.1Sb_0.9，实现了GaSb基2 μm波段单管1.5 W功率输出。而利用InAs和GaSb的能带差异可以通过掺杂实现GaSb/InAs异质结界面载流子的带间隧穿，而不会引入自由载流子吸收，2016年Takashi Hosoda等人利用这种特点，优化了GaSb/InAs隧穿结和载流子注入区，使其能实现2 μm波段级联泵浦，实现了GaSb基2 μm波段单管2 W的功率输出，为目前锑化物激光器报道的最高单管室温连续激射功率^[5]。

Figure 3.  Schematic band diagrams of the laser heterostructure under flat band condition^[5]

中国科学院半导体研究所在2010年首次报道了采用MBE生长的2 μm InGaSb/InGaAsSb多模激光器的室温连续激射^[14]，通过激光器结构设计、外延生长优化和半导体制备工艺优化，逐步将单管激射功率提高到1.62 W，Bar条功率提高到16 W^{[6, 15-17]}如图4、5所示。

Figure 4.  Power-efficiency-current characteristics measured for HR/AR coated single laser at CW operation at 10 ℃^[17]

Figure 5.  Power-voltage-current characteristics measured for HR/AR coated laser bar at CW operation at 10 ℃^[16]

对于半导体激光器来说，实现单模激光的一个有效方案就是在外延层中引入周期性的光栅结构。然而锑化物材料外延层中比例较大的铝组分容易氧化的特性使得GaSb基的单模激光器的制备工艺与InP基激光器广泛采用的二次外延技术不兼容；目前仅有少数研究机构掌握了锑化物材料的刻蚀技术；也仅有少数研究单位可以实现高质量锑化物材料的外延生长，这一系列的技术难题都大大增加了锑化物单模激光器的制备难度。

国际上主流的锑化物单模激光器为侧向耦合分布反馈（Laterally-coupled distributed feedback laser, LC-DFB）结构^[23-24]。这种结构采用一次外延技术，利用侧向光栅实现模式筛选，避免了二次外延技术的引入。但却同样存在着如何在在器件的近波导层处制备高质量的光栅图形的难题^[19]。

2013年Siamak Forouhar等人采用二阶刻蚀光栅结构，如图6所示。在2 mm腔长的激光器上实现了50 mW室温连续工作。边模抑制比在30 dB左右^[25]。

Figure 6.  Scanning electron microscope of 2^nd grating fabricated by EBL^[25]

2009年James.Gupta等人采用一阶金属光栅。将铬作为金属光栅材料，实现了复耦合DFB激光器的制备，如图7所示，激光器室温连续工作，激射波长2389 nm，输出功率10 mW^[26]。

Figure 7.  Scanning electron microscope of LC-DFB with metal gratings^[26]

2015年中国科学院半导体所第一次报道了锑化物单模激光器的制备。SMSR约24 dB，为国内首批报道的室温连续锑化物单模激光器的研究单位^[18]。随后中国科学院半导体所转入了复耦合单模激光器的制备工作中去，制备了二阶金属光栅LC-DFB和激光器，如图8所示^[19]。2019年，半导体所进一步优化单模激光器的结构设计方案，实现了边模抑制比53 dB，室温连续40 mW的高性能单模激射，是目前已报道的锑化物单模激光器文献中唯一同时实现了高功率输出的同时保持高边模抑制比的器件结果。

Figure 8.  Scanning electron microscope and spectrum of LC-DFB with metal grating^[19]

作为一种半导体激光器，锑化物激光器与其他中红外激光器相比，一个巨大的优势就是波长覆盖范围广和容易实现波长调谐，通过精细的能带工程设计，可以实现2~4 μm波段的完整覆盖。

目前，国际上锑化物长波长激光器所采用的方案又分为两类：

（1）优势波段在2~3 μm的锑化物I型应变量子阱激光器，这类激光器通过调整有源区的带隙和应变，实现激射波长的拓展，2002年，Sarnoff研究中心实现了2.5 μm波段功率1瓦的室温连续激射。随着有源区中In组分的提高，虽然有源区带隙不断缩小，但是其价带带阶随之减小，空穴限制能力减弱，在波长小于2.7 μm时激光器仍能保持较高性能，然而在波长大于2.7 μm时，过小的价带带阶导致俄歇复合的急剧增加，激光器性迅速衰减，为解决这个问题，2005年Walter Schotty研究所提出了五元势垒结构，将能带整体下移，通过牺牲导带带阶的方式获得更大的价带带阶，从而可以进一步缩小有源区带隙，实现波长的进一步拓展，2009年Belenky实现了3 μm I型量子阱激光器300 mW的室温连续激射^[27]。2012年Walter Schotty研究所采用五元势垒结构将锑化物量子阱激光器激射波长进一步拓展到3.73 μm^[28]。虽然压应变结构，特别是五元势垒材料的引入有效拓展了激光器的激射补偿，但由于In和Ga存在较大的不互溶隙，在材料生长过程中需要采用非热力学平衡的生长方式避免材料的偏析；随着应变的增大，有源区对载流子的限制更强烈，但是过大的应变和较低的生长温度会导致晶格缺陷的增多，甚至出现晶格弛豫，因此如何在众多的条件中获得一个最优的生变和较低的生长温度会导致晶格缺陷的增多，甚至出现晶格弛豫，因此如何在众多的条件中获得一个最优的生长窗口是此类器件材料生长的关键。

（2）优势波段在3~4 μm的带间级联激光器，带间级联激光器由R.Q.Yang在1994年首先提出，是一种处于传统双极型带间跃迁激光器和单极型量子级联激光器中间的混合型激光器。这种结构的激光器既具有带间跃迁无需声子参与的优点，又通过载流子的隧穿跃迁实现单个电子发生多次跃迁产生多个光子，具有很高的量子效率。这种激光器利用带间跃迁发射光子，因此较好的避免了量子级联激光器中子带间光声子辐射引起的非辐射复合，具有更低的阈值电流密度和更高的特征温度；由于其有源区的激射波长主要由量子阱的宽度决定，因此在外延层设计中可以采用成熟的材料结构，通过调整阱宽获得更大范围的激光波长，尤其在3~4 μm波段与I型量子阱结构相比具有绝对优势，其基本能带结构如图9所示。2008年，美国海军实验室（NRL）实现了第一支室温连续激射的带间级联激光器，如图10所示，激射波长在3.7 μm^[29]。2011年NRL提出载流子再平衡概念，通过改变电子注入区的掺杂浓度，平衡有源区中过高的空穴浓度，从而解决了有源区中电子和空穴数量不均等的问题，其器件在25 ℃时实现了连续激射功率158 mW^[30]。2014年，NRL进一步将带间级联激光器的室温输出功率提高到592 mW，是目前带间级联激光器的最高输出功率^[31]。

Figure 9.  Band structure of the active region of ICL^[29]

Figure 10.  I-V-P performance of the first RTCW interband cascade laser^[29]

在锑化物的波长拓展和碟片激光器方面，中国科学院半导体所也做了比较多的工作，2015年通过提高有源区铟组分和引入AlGaInAsSb五元势垒提高价带带阶，优化了势垒层的生长温度和量子阱应变，将锑化物I类量子阱光致发光波长拓展到3.83 μm，同年实现了2.4 μm激光器的室温连续激射。中国科学院半导体所在2017年成功实现了2~3 μm激光器的激射，其中2.6 μm激光器室温连续激射功率325 mW，如图11所示^[15]，随后完成了覆盖2.6-3微米的锑化物激光器室温连续激射，光谱如图12所示。2018年，中国科学院半导体所采用II型带间级联结构，成功实现了3.45 μm波长的室温连续激射输出功率40 mW。

Figure 11.  PIV performance of laser emitting at 2.6 μm^[15]

Figure 12.  Laser spectrum of laser emitting ranging from 2.6 μm to 3 μm at room temperature

光泵浦半导体碟片激光器（OP-SDL）也称为光泵浦垂直外腔面发射激光器（OPS-VECSEL），其基本结构如图13所示，它兼顾了半导体面发射激光器（VCSEL）与二极管泵浦全固态激光器（DPSS）的优点，可以输出高功率、圆对称、近衍射极限的基模光束。2003年蒙彼利埃大学的Cerutti等研究人员首次实现GaSb基SDL的激光输出。2008年斯特拉思克莱德大学的Hopkins等人第一次实现室温下高光束质量的GaSb基SDL的瓦级功率的激光输出。2016年夫琅禾费研究所，改善增益芯片热特性在20 ℃条件下实现17 W的激光输出，这是迄今为止GaSb基SDL的最大输出功率，其功率谱图如图14所示^[32]。2018年中国科学院半导体所与长春光机所合作的基于锑化物的2 μm波段光泵浦碟片激光器实现了国内的首次室温连续激射，输出功率达到0.5 W。

Figure 13.  Schematic of typical SDL

Figure 14.  Output power characteristics of SDL at 2.0 μm with different pump spot diameters^[32]

基于锑化物半导体材料的中红外激光器的研究受到越来越广泛的重视，器件制备技术和性能不断取得重要进展。针对工业加工应用，锑化物单管和巴条功率还需进一步提升，这需要从外延结构到器件设计进行进一步的优化，同时良好的散热封装和可靠性验证，是此类激光器需要进一步开展的研究方向。锑化物单模激光器方面，实现器件性能和成本的平衡，即找到一个成本低和良品率高的设计方案实现单模激光器的批量重复制备，是此类激光器实现大规模商业化生产的前提。带间级联激光器的材料生长难度大，其多变的能带设计结构使得此类激光器在3~5 μm波段有望获得更多而广泛的应用，进一步的提高室温连续输出功率和保持好的波长稳定性，是该领域研究人员必须解决的问题。光泵浦碟片激光器功率高、光束质量好的特性，使得其在一些特定领域如量子通信、医疗美容有望实现广泛的应用，此类激光器的光路结构已经基本定型，高质量的外延结构是此类激光器制备的关键。目前国内的锑化物激光器的研究正处于实验室向产业化过渡的关键阶段。随着研究的不断深入器件稳定性和良品率不断获得提升，完全国产化、自主知识产权的锑化物半导体激光器实现规模应用指日可待。