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半導(dǎo)體材料體系的迭代更新一直緊密關(guān)聯(lián)著高新技術(shù)的發(fā)展。第一代半導(dǎo)體材料主要為硅（Si）與鍺（Ge），第二代半導(dǎo)體材料主要為砷化鎵（GaAs）與磷化銦（InP），第三代半導(dǎo)體材料主要為碳化硅（SiC）與氮化鎵（GaN）。隨著前三代半導(dǎo)體材料及由其制備的典型器件相繼得到廣泛應(yīng)用，微電子、通信、量子信息、人工智能、碳中和等高新技術(shù)獲得了巨大的發(fā)展驅(qū)動(dòng)力，并實(shí)現(xiàn)變革性突破；與此同時(shí)，高新技術(shù)的快速發(fā)展也對半導(dǎo)體器件的性能和功耗等提出了更高的要求，促進(jìn)著半導(dǎo)體器件的迭代更新。因此，如何發(fā)展實(shí)現(xiàn)兼具高性能、低功耗、低成本的第四代半導(dǎo)體材料器件技術(shù)，已成為國際前沿技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

第四代半導(dǎo)體材料器件技術(shù)的潛在目標(biāo)材料體系主要包括：窄帶隙的銻化鎵（GaSb）與砷化銦（InAs）、超寬帶隙的氧化鎵（Ga2O3）與氮化鋁（AlN）、各種低維碳基與二維材料。其中，銻化物半導(dǎo)體材料是指以鋁（Al）、鎵（Ga）、銦（In）等Ⅲ族元素以及砷（As）、銻（Sb）等Ⅴ族元素為基礎(chǔ)組成的二元、三元、四元及五元化合物材料，具有紅外發(fā)光、能帶可調(diào)的物理特性，是天然晶格匹配的材料體系，與傳統(tǒng)的激光與探測材料相比，更是具有晶格匹配性好、均勻性好、單片基片尺寸大、半導(dǎo)體制備工藝兼容性高等獨(dú)特優(yōu)勢，發(fā)展?jié)摿薮螅诔上?、遙感、傳感、氣體探測等諸多方面具有重要用途，同時(shí)也是國際同行公認(rèn)的新一代紅外中長波段激光、探測、半導(dǎo)體光電集成芯片的首選材料體系，為各種新型功能芯片器件的研究提供了極大的發(fā)展空間。

目前，基于InGaAsSb/AlGaAsSb材料的銻化物Ⅰ型量子阱結(jié)構(gòu)已能實(shí)現(xiàn)2~3微米半導(dǎo)體激光器的室溫連續(xù)瓦級(jí)功率輸出，基于GaInSb/AlSb材料的銻化物Ⅱ型帶間級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)已能實(shí)現(xiàn)3~4微米半導(dǎo)體激光器的室溫連續(xù)高功率輸出，其波長在低溫下可延伸拓展至10微米，基于InAs/GaSb材料的二類超晶格結(jié)構(gòu)的探測器更是實(shí)現(xiàn)了近紅外到數(shù)十微米甚長波的整個(gè)紅外區(qū)域的完整覆蓋。此外，銻化物半導(dǎo)體材料具有小的電子與空穴質(zhì)量，室溫載流子遷移率遠(yuǎn)超前三代半導(dǎo)體材料體系，在實(shí)現(xiàn)超低功耗、超高速的微電子集成電路器件方面具有無可比擬的優(yōu)勢，而其良好的熱電性能，則使得各類含銻元素的晶體材料在熱電制冷器件研究中展現(xiàn)出不可替代的應(yīng)用前景。

在國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目及重點(diǎn)項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目等的長期支持下，中科院半導(dǎo)體研究所牛智川研究員團(tuán)隊(duì)聚焦銻化物新材料體系及新器件，深入開展銻化物低維材料能帶調(diào)控研究，突破了復(fù)雜低維結(jié)構(gòu)大尺寸外延生長的技術(shù)難題，發(fā)展出多功能、多系列銻化物光電子器件的制備技術(shù)。研究團(tuán)隊(duì)從經(jīng)典半導(dǎo)體能帶理論出發(fā)，創(chuàng)新提出了銻化物數(shù)字合金短周期超晶格勢壘結(jié)構(gòu)，發(fā)展出分子束外延技術(shù)并實(shí)現(xiàn)銻化物低維材料原子級(jí)高精度可控高重復(fù)性外延生長，攻克了銻化物多元復(fù)雜化合物系列激光器的制備工藝難題，成功研制了多款高性能銻化物紅外半導(dǎo)體激光器，其波長能夠覆蓋2~4微米波段，技術(shù)水平處于國際一流梯隊(duì)。

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短周期超晶格勢壘銻化物

應(yīng)變量子阱高功率激光器

作為大氣窗口的重要波段之一，2~4微米紅外波段不僅具有光傳輸優(yōu)勢，而且包含眾多的氣體分子特征吸收峰，具有高靈敏光吸收特性，而據(jù)此衍生出的制導(dǎo)、激光雷達(dá)、醫(yī)學(xué)儀器、激光加工、環(huán)境監(jiān)測等多種光電系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展更離不開半導(dǎo)體紅外激光器等核心器件的支撐。進(jìn)入21世紀(jì)以來，銻化物分子束外延材料技術(shù)獲得一系列重要突破，并迅速引發(fā)銻化物光電器件的研究熱潮，銻化物半導(dǎo)體激光器技術(shù)日益呈現(xiàn)出重大的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

傳統(tǒng)銻化物結(jié)構(gòu)有源區(qū)價(jià)帶帶階會(huì)隨著銦組分的增加而逐漸降低，進(jìn)而導(dǎo)致其在長波長處出現(xiàn)嚴(yán)重的載流子泄露以及發(fā)光效率下降。為解決這一難題，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出了AlSb/AlAs/AlSb/GaSb短周期超晶格數(shù)字合金勢壘與漸變層新型量子阱結(jié)構(gòu)：通過在量子阱兩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(shí)現(xiàn)對空穴載流子的有效限制，成功解決了四元合金AlGaAsSb體結(jié)構(gòu)量子阱材料的組分精確控制、有源區(qū)價(jià)帶空穴限制不足的難題，提高了2~3微米波段的激光發(fā)光效率，同時(shí)采用二元超晶格材料構(gòu)建了與四元合金材料相同的有效折射率，構(gòu)建形成2微米波段大功率高效率數(shù)字合金量子阱激光器結(jié)構(gòu)，其最大光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)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(guān)指標(biāo)上實(shí)現(xiàn)了對銻化物大功率激光器技術(shù)封鎖的突破。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)通過不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)，在2021年實(shí)現(xiàn)2.043瓦的單管室溫連續(xù)輸出功率，這也是目前該指標(biāo)的國際最高記錄。

在銻化物長波長激光器方面，2015年研究團(tuán)隊(duì)通過在有源區(qū)中引入高銦組分和AlGaInAsSb五元合金勢壘，以犧牲導(dǎo)帶帶階的代價(jià)提高價(jià)帶帶階，將銻化物Ⅰ類量子阱光致發(fā)光的波長拓展到3.83微米，同年實(shí)現(xiàn)了2.4微米激光器的室溫連續(xù)激射。在隨后的幾年中，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了2~3微米激光器的室溫連續(xù)激射，其中2.6微米激光器的室溫連續(xù)激射功率為325毫瓦，2.75微米激光器的室溫連續(xù)輸出功率為60毫瓦，這也是國內(nèi)首次基于銻化物Ⅰ型量子阱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的2~3微米半導(dǎo)體激光器的完整覆蓋。

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銻化物帶間級(jí)聯(lián)激光器和單模激光器

帶間級(jí)聯(lián)激光器是一種介于傳統(tǒng)雙極型帶間躍遷激光器與單極型量子級(jí)聯(lián)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的優(yōu)點(diǎn)，又可通過載流子的隧穿躍遷實(shí)現(xiàn)單個(gè)電子發(fā)生多次躍遷并產(chǎn)生多個(gè)光子，具有很高的量子效率。帶間級(jí)聯(lián)激光器通過帶間躍遷來發(fā)射光子，能夠較好地避免由量子級(jí)聯(lián)激光器中子帶間光聲子輻射而引發(fā)的非輻射復(fù)合，具有更低的閾值電流密度和更高的特征溫度。此外，由于其有源區(qū)的激射波長主要由量子阱的寬度決定，因此在外延層的設(shè)計(jì)中可以采用成熟的材料結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整阱寬來獲得更大范圍的激光波長，尤其在3~4微米波段與Ⅰ型量子阱結(jié)構(gòu)相比具有絕對優(yōu)勢。

研究團(tuán)隊(duì)基于維加德定律（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(shù)、禁帶寬度、價(jià)帶帶階差、折射率等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，并在此基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)、導(dǎo)帶與價(jià)帶帶階差、能級(jí)位置與發(fā)光波長、波函數(shù)分布，并計(jì)算了其在電壓下量子阱的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂（QFLS）、載流子注入濃度、光增益；分析了二類量子阱帶間級(jí)聯(lián)激光器的結(jié)構(gòu)和工作原理，優(yōu)化了帶間級(jí)聯(lián)激光器采用的“W”型量子阱的襯底溫度，并通過調(diào)整Ⅴ/Ⅲ比，解決了“W”型量子阱中InGaSb空穴阱的As并入問題；通過調(diào)整InAs電子阱的厚度來調(diào)節(jié)“W”型量子阱的發(fā)光波長，驗(yàn)證了其可覆蓋整個(gè)中紅外波段；設(shè)計(jì)和模擬了各個(gè)功能區(qū)之間的過渡層，并對全器件結(jié)構(gòu)的晶圓片進(jìn)行了表征；此外，在優(yōu)化刻蝕條件的基礎(chǔ)上，確定了半導(dǎo)體工藝制程，實(shí)現(xiàn)了晶圓到實(shí)際器件的制備，并設(shè)計(jì)了中紅外帶間級(jí)聯(lián)激光器的腔面膜，最終實(shí)現(xiàn)帶間級(jí)聯(lián)激光器的室溫連續(xù)工作，其工作波長為3.5微米，閾值電流密度為267安培/平方 厘米（A/cm2） ，鍍膜后輸出功率為55毫瓦。該項(xiàng)成果填補(bǔ)了國內(nèi)在中紅外波段銻化物帶間級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)激光器方面的技術(shù)空白。

在氣體檢測、量子通信等領(lǐng)域中，高性能的銻化物激光種子源都具有重要的應(yīng)用價(jià)值。為此，研究團(tuán)隊(duì)深入研究了銻化物側(cè)耦合分布反饋半導(dǎo)體激光器：2016年通過全息曝光技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了銻化物單模激光器的室溫連續(xù)工作，輸出功率為10毫瓦，邊模抑制比（SMSR）為24分貝；2018年完成銻化物的剝離（Lift-off）工藝開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了邊模抑制比為35分貝的單模激光；2019年通過優(yōu)化金屬光柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備工藝，實(shí)現(xiàn)了室溫連續(xù)輸出功率為40毫瓦、邊模抑制比為53分貝的單模激光，相關(guān)成果發(fā)表在《應(yīng)用物理快報(bào)》(Applied Physics Letters)，之后國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)雜志《化合物半導(dǎo)體》（Compound Semiconductor）給出了“該類型激光器為天基星載雷達(dá)系統(tǒng)和氣體檢測系統(tǒng)提供了有競爭力的光源器件”的評(píng)價(jià)；2021年，研究團(tuán)隊(duì)通過進(jìn)一步優(yōu)化三階側(cè)壁光柵分布反饋結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了室溫連續(xù)輸出功率為60毫瓦的單模激光，并將最大邊模抑制比提高至57分貝，這標(biāo)志著研究團(tuán)隊(duì)在銻化物單模激光器的研究工作已經(jīng)處于國際領(lǐng)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(fā)表現(xiàn)出不可替代的關(guān)鍵性作用，其二類超晶格材料在近紅外到遠(yuǎn)紅外焦平面探測器的研發(fā)過程中也實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展和典型應(yīng)用。圍繞紅外激光和探測技術(shù)發(fā)展而來的第四代銻化物半導(dǎo)體器件也已展現(xiàn)出向高性能、低功耗、低成本發(fā)展的巨大潛力，而在關(guān)鍵光電器件技術(shù)開發(fā)方面的不可替代性更是其能夠成為國際前沿技術(shù)研究焦點(diǎn)的重要原因。以中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所為代表的國內(nèi)科研單位通過多年的技術(shù)積累和攻關(guān)，逐漸形成了從銻化物材料的概念、理論研究、材料生長優(yōu)化、器件設(shè)計(jì)，到制備工藝開發(fā)、集成光電芯片制造及封裝測試的全產(chǎn)業(yè)、全國產(chǎn)化鏈條。在國家重大需求牽引、科技創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、國際一流技術(shù)水平支撐的合力帶動(dòng)下，我國第四代銻化物半導(dǎo)體技術(shù)已實(shí)現(xiàn)從原始概念到器件的制備，并正在漸次實(shí)現(xiàn)由實(shí)驗(yàn)室研究向批量化生產(chǎn)及工業(yè)化廣泛應(yīng)用的階段性轉(zhuǎn)換。

致謝：感謝國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目“銻化物低維結(jié)構(gòu)中紅外激光器基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)”（項(xiàng)目編號(hào)：61790580）的支持。

本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技縱覽》2021年10月刊。

專家簡介

牛智川：中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員、國家杰出青年基金獲得者。

徐應(yīng)強(qiáng)：中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員。

張宇：中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所副研究員。

楊成奧：中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所助理研究員。

陳益航：中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究生。

王天放：中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究生。

余紅光：中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究生。

石建美：中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究生。