封面描繪了中紅外帶間級聯(lián)激光器（ICL）的工作特點(diǎn)。基于高質(zhì)量二類超晶格/量子阱材料的分子束外延生長，以及二類量子阱人工微結(jié)構(gòu)的W 形半導(dǎo)體能帶設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)注入電子的帶間躍遷和級聯(lián)發(fā)光。脊條型激光器采用上下對稱性波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了激光在兩個(gè)端面的發(fā)射。ICL是一類高效的中紅外激光器，在痕量氣體檢測、工業(yè)過程控制、呼出氣體健康監(jiān)測等場景中有重要應(yīng)用。

研究背景

    基于III-V族半導(dǎo)體的二類超晶格（Type-II superlattices）是通過能帶工程設(shè)計(jì)的一類人工微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料，由InAs、GaSb、AlSb及其多元合金周期替生長形成超晶格結(jié)構(gòu)，在紅外探測、工業(yè)檢測、氣體傳感、健康醫(yī)療等、民用領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。

但是，外延生長高質(zhì)量的二類超晶格異質(zhì)界面仍面臨很大的挑戰(zhàn)。通常，中紅外帶間級聯(lián)激光器中的二類超晶格異質(zhì)界面高達(dá)上千個(gè)，界面上微小的晶格畸變應(yīng)力，在多重累積后會引起薄膜的應(yīng)變弛豫形成位錯(cuò)，進(jìn)而影響器件的光電性能。目前，生長中斷法（利用V族元素充分浸潤）和遷移增強(qiáng)外延法在一定程度上可以解決異質(zhì)界面應(yīng)力平衡的問題，但是顯著增加了外延生長的復(fù)雜程度和時(shí)間（時(shí)長增加30%以上），降低了生產(chǎn)效率。

創(chuàng)新工作

 為了保證二類超晶格異質(zhì)界面的質(zhì)量和可重復(fù)性，南京大學(xué)蘆紅教授團(tuán)隊(duì)通過對分子束外延（MBE）生長異質(zhì)界面應(yīng)力的精準(zhǔn)調(diào)控，獲得了晶格完全匹配的二類超晶格材料。在InAs/AlSb二類超晶格的異質(zhì)界面插入AlAs層平衡界面應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)了ICL器件全結(jié)構(gòu)與InAs襯底的晶格完全匹配，界面上AlAs插層的調(diào)控效果明顯。外延生長的ICL器件全結(jié)構(gòu)表面呈現(xiàn)原子級平整的臺階，缺陷密度低至102/cm2量級，二類超晶格和多量子阱結(jié)構(gòu)的異質(zhì)界面清晰明銳。

基于高質(zhì)量的二類超晶格外延生長，團(tuán)隊(duì)制備了一系列InAs基ICL器件并獲得了優(yōu)異的性能，包括在300 K下實(shí)現(xiàn)了InAs基ICL的短激射波長——4.02 μm，閾值電流密度232 A/cm2，為已知報(bào)道數(shù)據(jù)中低；在長波（8.22 μm）InAs基ICL實(shí)現(xiàn)275 K的高工作溫度（圖1）。

圖1（a）4 μm ICL的光譜；（b）8 μm ICL的光譜； InAs基ICL的（c）高工作溫度與激射波長關(guān)系；（d）閾值電流密度（@ 300 K或高工作溫度）與激射波長關(guān)系

團(tuán)隊(duì)和ICL發(fā)明人Oklahoma大學(xué)楊瑞青教授以及中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所鄭婉華院士團(tuán)隊(duì)林羽喆博士緊密合作，近幾年在InAs基ICL的研究領(lǐng)域持續(xù)取得進(jìn)展（[J. Cryst. Growth, 586, 126618, 2022.], [Appl. Phys. Lett., 125, 121103, 2024.], [Opt. Express, 32, 46439, 2024.], [Appl. Phys. Lett., 126, 191104, 2025.]），特別是將InAs基ICL的閾值電流密度不斷降低，展示了中紅外波段ICL在低功耗方面的優(yōu)勢和潛力。

后續(xù)工作

在后續(xù)工作中，團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)聚焦前沿半導(dǎo)體激光器件，通過創(chuàng)新優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和精準(zhǔn)控制分子束外延技術(shù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)帶間級聯(lián)激光器?等光電子器件的性能優(yōu)化和突破，并拓展基于紅外激光技術(shù)的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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