半導(dǎo)體激光器器件和材料研究進(jìn)展

劉義鶴 江洪

1 引言

近年來(lái)，半導(dǎo)體激光器憑借其體積小、效率高、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，取得了快速發(fā)展，已經(jīng)在工業(yè)、醫(yī)療美容、國(guó)防軍事等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著各種高質(zhì)量半導(dǎo)體材料及各種外形制備工藝取得突破，半導(dǎo)體激光器在材料和結(jié)構(gòu)上的研究不斷擴(kuò)展。由于量子限制效應(yīng)帶來(lái)對(duì)載流子更強(qiáng)的約束，半導(dǎo)體激光器研究逐步從二維的量子阱結(jié)構(gòu)向一維納米線、零維的量子點(diǎn)激光器擴(kuò)展。本文從二維、一維和零維半導(dǎo)體材料的角度出發(fā)，概括了半導(dǎo)體激光器的最新進(jìn)展。

2 垂直腔面反射半導(dǎo)體激光器

在二維量子阱結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器中，垂直腔面反射半導(dǎo)體激光器（VCSEL）是其最前沿的研究方向。美國(guó)加利福尼亞大學(xué)Charles A.Forman等人首次實(shí)現(xiàn)了基于非極性氮化鎵（GaN）VCSEL的連續(xù)波操作。由于底部分布布拉格反射介質(zhì)的熱絕緣性質(zhì)，造成傳統(tǒng)VCSEL器件無(wú)法在連續(xù)波下操作。作者基于COMSOL熱力學(xué)模型，將器件的熱通路限制到了圍繞底部分布布拉格發(fā)射鏡（DBR）到達(dá)基座的p側(cè)金屬接觸處。同時(shí)，金—金熱壓縮倒裝芯片鍵合在p側(cè)金屬中產(chǎn)生裂縫和空隙進(jìn)一步限制了熱通路。他們最新的VCSEL器件中將腔長(zhǎng)增加到23λ（激光器發(fā)射光波長(zhǎng)），并利用金—銦固液擴(kuò)散鍵合創(chuàng)造了限制更強(qiáng)的熱通路，進(jìn)而讓器件熱性能得到大幅改善。器件連續(xù)激光輸出達(dá)到20 min，連續(xù)波和脈沖工作模式下6 μm孔徑的VCSEL峰值輸出功率風(fēng)別達(dá)到150μW和700μW。在406 nm、412 nm和419 nm處均觀測(cè)到激光發(fā)射。

瑞士量子電子研究所的Nürnberg J等人制備出一種模式鎖定集成垂直腔面發(fā)射激光器（MIXSEL），通過(guò)優(yōu)化群延遲色散，能夠產(chǎn)生創(chuàng)紀(jì)錄的139fs的超快脈沖激光。激光發(fā)射波長(zhǎng)在1 034 nm，帶寬13 nm，工作頻率2.74 GHz。激光器可用于乙炔氣體的雙梳頻譜儀中。激光器從底部到頂部依次為：24對(duì)砷化鋁（AlAs）/砷化鎵（GaAs）分布布拉格反射鏡；嵌入在應(yīng)變補(bǔ)償AlAs0.86P0.14（鋁砷磷）層中的單個(gè)銦鎵砷（In0.23Ga0.77As）量子阱（QW）作為吸收器；9.5對(duì)Al0.15Ga0.85As/ AlAs DBR，以反射殘留的808 nm泵浦光并防止吸收器被漂白；有源區(qū)，由嵌入泵吸收GaAs阻擋層的11個(gè)In0.2Ga0.8As量子阱組成，厚度為9nm；增益QW的壓縮應(yīng)變由大帶隙拉伸應(yīng)變AlAs0.86P0.14層平衡，這也提供了優(yōu)化的載流子限制。最后，使用離子束濺射（IBS）沉積數(shù)值優(yōu)化的全電介質(zhì)抗反射（AR）頂部。器件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

Xu W Z等人通過(guò)將雙側(cè)介質(zhì)分布布拉格反射器之間的腔長(zhǎng)度減小到6λ，觀察到GaN基VCSEL中的超低激光閾值為413μJ/cm2，這是目前已知的氮化物光泵浦VCSEL中的最低值。他們的激光器自發(fā)發(fā)射系數(shù)（β）為0.1，極化程度為91%。筆者分析了短腔對(duì)自發(fā)輻射因子，增益系數(shù)增強(qiáng)和吸收減少間的相互關(guān)系，以及耦合量子阱對(duì)限制因子的影響。這項(xiàng)研究對(duì)未來(lái)精確制造氮化物VCSEL的結(jié)構(gòu)具有重要意義。

美國(guó)亞利桑那大學(xué)A Laurain等人對(duì)VCSEL中腔體幾何形狀對(duì)激光器脈沖持續(xù)時(shí)間和峰值功率的影響進(jìn)行了綜合研究，包括V形腔、多折疊腔和碰撞脈沖鎖模方案中的環(huán)形腔等。他們還提出了用于超短脈沖演示的增益和SESAM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略，對(duì)于超短脈沖VCSEL激光器的設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義。

芬蘭坦佩雷（Tampere）技術(shù)大學(xué)的Emmi Kantola等人利用光泵浦VCSEL制備出一種可應(yīng)用于治療皮膚病變的高功率黃色激光系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在約590nm處提供高達(dá)8W的輸出功率，并包括一個(gè)手持式掃描儀，可輕松將光線傳送到皮膚上。掃描區(qū)域可以從單個(gè)點(diǎn)（直徑1.4mm）到覆蓋1cm2面積的49個(gè)點(diǎn)變化?？稍?～52 J/cm2范圍內(nèi)調(diào)節(jié)流量，具有線、方形和六邊形等掃描模式，脈沖長(zhǎng)度在10～100ms間可調(diào)。

美國(guó)加利福尼亞大學(xué)的Seung Geun Lee等人利用金屬有機(jī)氣相外延（MOCVD）首次制備出了具有隧穿結(jié)腔內(nèi)接觸的III族氮化物VCSEL。他們?cè)谠患せ畈⒂肏F進(jìn)行表面處理過(guò)的重p型摻雜GaN上生長(zhǎng)出重n型摻雜的GaN以制備隧穿結(jié)。他們的隧穿結(jié)腔內(nèi)接觸VCSEL發(fā)光波長(zhǎng)408nm，閾值電流約15 mA（10kA/cm2），閾值電壓7.8V，最大輸出功率319μW，微分效率0.28%。

在連續(xù)波長(zhǎng)的VCSEL輸出功率方面，德國(guó)應(yīng)用固體物理弗朗霍夫研究所的Holl P等人在2016年制備出了輸出波長(zhǎng)2μm具有最高輸出功率的VCSEL。他們通過(guò)優(yōu)化泵浦光斑直徑，并用金剛石作為熱沉材料，將熱沉片溫度設(shè)置為20 ℃時(shí)，激光器輸出功率可以達(dá)到17 W。同年，他們的2.5μm連續(xù)激光發(fā)射的GaSb基VCSEL在20 ℃時(shí)輸出功率也達(dá)到了7 W。這款激光器使用1 470 nm光代替980 nm作為泵浦源，從而減少了內(nèi)量子效率丟失，并增加了泵浦光的吸收效率。2017年他們則將2.8 μm激光器在20 ℃下的輸出功率推上0.85 W。

美國(guó)新墨西哥大學(xué)的ZHOU Yang等人則提出了一種亞波長(zhǎng)光柵反射鏡和光學(xué)增益結(jié)合的主動(dòng)鏡面結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠直接在熱沉片上鍵合從而有效去除熱量。他們指出，通過(guò)光波傳播和熱流分析，這種結(jié)構(gòu)有望將VCSEL的功率放大到數(shù)千瓦級(jí)別。

金屬鹵化物鈣鈦礦也是一種極具前景的激光材料，可用于實(shí)現(xiàn)單片集成激光源，實(shí)現(xiàn)硅光子集成電路（PIC）的關(guān)鍵部件。鈣鈦礦可以從溶液中沉積，只需要低溫處理，與通過(guò)III—V半導(dǎo)體的昂貴且低效的混合集成實(shí)現(xiàn)的最先進(jìn)的激光器相比，可以顯著降低成本并實(shí)現(xiàn)新的單片機(jī)接口控制器PIC架構(gòu)。然而，到目前為止，由于鈣鈦礦的化學(xué)敏感性，沒(méi)有建立基于光學(xué)光刻的微制造工藝。德國(guó)AMO公司的Piotr J.Cegielski等人提出了通過(guò)自上而下的工藝將第一甲基銨碘化鉛鈣鈦礦微盤(pán)激光器單片集成到氮化硅PIC中。對(duì)于單片集成激光器，激光器在室溫下顯示出創(chuàng)紀(jì)錄的低激光閾值4.7 μJ/cm2，這是一種互補(bǔ)的金屬氧化物半導(dǎo)體兼容結(jié)構(gòu)，可以集成在后端工藝中。該激光器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 半導(dǎo)體納米線激光器

半導(dǎo)體納米線（NW）激光器因其對(duì)納米級(jí)光子源的出色前景而吸引了大量的研究工作。然而，NW激光器目前的方向性較差，閾值能量高，嚴(yán)重制約了它們作為片上光源的前景。為了克服這些問(wèn)題，研究人員已經(jīng)取得一些進(jìn)展。

澳大利亞國(guó)家大學(xué)Wei-Zong Xu等人制出了一種新型的垂直發(fā)射磷化銦（InP）納米線激光器，表現(xiàn)出了高發(fā)射方向性，并降低了工作閾值。激光器的結(jié)構(gòu)結(jié)合了集成在貓眼（CE）天線中的InP NW。由于天線的不對(duì)稱性使其具有強(qiáng)的聚焦能力和高Q因子（放大倍率），讓設(shè)計(jì)出的InP CE NW激光器的偏振度更高、發(fā)射角更窄，并提高了內(nèi)量子效率，降低了激光閾值。這種NW激光天線系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)高性能納米級(jí)激光器提供了非常有前景的方法，在當(dāng)前和未來(lái)的集成納米光子學(xué)系統(tǒng)中用作高度局部化光源的良好前景，用于高級(jí)傳感，高分辨率成像應(yīng)用和量子通信。InP NW激光器的出光分布、頻譜及能流—強(qiáng)度曲線如圖3所示。

KS Daskalakis等人研究了在GaN微米線中基于自構(gòu)限位腔體微單元散射效應(yīng)的隨機(jī)激光發(fā)射現(xiàn)象。隨機(jī)激光的光譜和空間分辨率表明所發(fā)射的隨機(jī)激光模式產(chǎn)生于微米線的不同區(qū)域。其溫度依賴性測(cè)試表現(xiàn)出52K的優(yōu)秀特征溫度。微米線中利用微坑的散射效應(yīng)提供光學(xué)反饋回路，這種散射反饋機(jī)制反饋機(jī)制可以避免制造GaN的人工腔結(jié)構(gòu)的巨大困難，將來(lái)有望實(shí)現(xiàn)低成本GaN基紫外激光二極管。

Mahmoud Behzadirad等人提出了高度有序GaN納米陣列的自上而下、兩部制備方法。他們指出，利用干涉光刻技術(shù)，可以精確控制參數(shù)，以獲得具有優(yōu)異質(zhì)量和所需縱橫比的高度有序的納米線陣列。他們制備出面積大于105μm2的GaN納米陣列，寬高比大于50，納米線半徑最小達(dá)到17nm，原子壁粗糙程度小于1nm。時(shí)域有限差分（FDTD）建模分析表明，HE11是納米線半徑小于100nm的主要傳播模式。利用改納米線陣列制備的激光器具有1 139～2 443的高Q因子，對(duì)應(yīng)線寬為0.32～0.15nm（最小閾值為3.31MW/cm2）。

美國(guó)密歇根大學(xué)的Xiaoqin Wu等人研究了硫化鎘（CdS）納米線激光，它自發(fā)地內(nèi)化到單個(gè)細(xì)胞中，作為獨(dú)立的細(xì)胞內(nèi)探針（見(jiàn)圖4）。通過(guò)納米焦耳光脈沖泵浦，可以在細(xì)胞內(nèi)觀察到綠色激光發(fā)射（500～520nm），峰寬線寬窄至0.5nm。由于亞微米直徑（約200nm），NW在外部具有相當(dāng)大的消逝場(chǎng)，有助于靈敏地檢測(cè)細(xì)胞環(huán)境變化。通過(guò)監(jiān)測(cè)響應(yīng)于細(xì)胞內(nèi)折射率變化的激光峰值波長(zhǎng)偏移，NW激光探針顯示出每RIU（折射率單位）55nm的靈敏度和大約98的品質(zhì)因數(shù)。

4 半導(dǎo)體量子點(diǎn)激光器

東京技術(shù)研究所的Daisuke Inoue等人首次實(shí)現(xiàn)了在（001）面硅上生長(zhǎng)的InAs/GaAs量子點(diǎn)激光器的直接調(diào)制。他們的InAs/GaAs量子點(diǎn)激光器發(fā)射波長(zhǎng)為1.3μm。激光器有源區(qū)為5層高質(zhì)量量子點(diǎn)層，并具有p型調(diào)制摻雜的GaAs勢(shì)壘層，空穴濃度為5×1017cm-3，以抑制增益飽和（見(jiàn)圖5）。

在3×580m2法布里—珀羅激光器上的小信號(hào)測(cè)量顯示，在116 mA的偏置電流下，3dB帶寬為6.5 GHz。通過(guò)直接探測(cè)芯片實(shí)現(xiàn)了12.5 Gbit/s的非歸零信號(hào)調(diào)制。在室溫下觀察到睜眼，消光比為3.3dB。比特誤碼率（BER）曲線顯示沒(méi)有錯(cuò)誤底限，BER達(dá)到1×10-13。在Si上使用QD激光器進(jìn)行的12km單模光纖傳輸實(shí)驗(yàn)表明，在5Gbit/s時(shí)，功率損失為1 dB。這些結(jié)果表明，在Si上外延生長(zhǎng)的QD激光器可用作光通信系統(tǒng)的低成本光源。

瑞士量子電子學(xué)研究所的Cesare G.E.Alfieri等人實(shí)現(xiàn)了一種基于量子點(diǎn)光泵浦VCSEL的最短脈沖和最高脈沖峰值功率（圖6）。他們的激光器脈沖寬度達(dá)到216fs，平均輸出功率為269mW，脈沖重復(fù)頻率為2.77GHz，峰值功率為396W在1.67GHz的較低脈沖重復(fù)率下，研究者實(shí)現(xiàn)193fs脈沖，平均輸出功率為112mW。他們通過(guò)飽和恢復(fù)的比較分析指出，量子點(diǎn)VCSEL相比量子阱VCSEL具有更長(zhǎng)的載流子壽命，因此能夠獲得更高的光-光泵浦效率。

美國(guó)加利福尼亞大學(xué)的Daehwan Jung等人制備出單片集成在Si襯底上的1.3μm量子點(diǎn)激光器，實(shí)現(xiàn)了6.2mA的閾值電流，185mW的輸出功率和超過(guò)100萬(wàn)h的優(yōu)異的器件壽命。

北京大學(xué)的Kexiu Rong等人利用位子不確定度為21nm的暗場(chǎng)光學(xué)成像技術(shù)結(jié)合高分辨率電子束光刻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)缺陷的膠體量子點(diǎn)激光器和銀納米線的精確對(duì)準(zhǔn)配置在芯片上，制備出片上量子點(diǎn)激光器。他們指出，由于銀納米線對(duì)亞波長(zhǎng)場(chǎng)的限制作用，能使這種激光器輸出面試面積僅為0.008λ2的深亞波長(zhǎng)相干源。

5 結(jié)語(yǔ)

半導(dǎo)體激光器和其他類型的激光器一樣，其研究發(fā)展朝著信息型和功率型2個(gè)方向推進(jìn)。超快、高功率半導(dǎo)體激光器也代表了光電子領(lǐng)域的最高水平，其應(yīng)用范圍已經(jīng)延伸到了生活的方方面面。半導(dǎo)體激光器關(guān)鍵技術(shù)總體來(lái)說(shuō)包括5個(gè)方面：芯片外延技術(shù)、封裝技術(shù)、光學(xué)準(zhǔn)直技術(shù)、光束整形技術(shù)和激光器集成技術(shù)。半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用也表現(xiàn)出替代當(dāng)前主流激光器——光纖激光器的趨勢(shì)。在未來(lái)，隨著激光電視、激光雷達(dá)、激光醫(yī)療器材的應(yīng)用不斷深入，各種新的應(yīng)用不斷擴(kuò)展，半導(dǎo)體激光器必將展現(xiàn)出廣闊的市場(chǎng)前景，也必將更大程度造福人類社會(huì)。