張一1,2,楊成奧1,2,尚金銘1,2,陳益航1,2,王天放1,2,張宇1,2*,徐應強1,2,劉冰3**,牛智川1,2,3***
1中國科學院半導體研究所半導體超晶格國家重點實驗室
2中國科學院大學材料科學與光電子技術學院
3北京量子信息科學研究院
什麼是帶間級聯雷射器？
帶間級聯雷射器（ICL）是實現3～5 μm波段中紅外雷射器的重要前沿，其在半導體光電器件技術、氣體檢測、醫學醫療以及自由空間光通信等領域具有重要科學意義和應用價值。近年來，半導體帶間級聯雷射器的量子阱能帶理論設計方法和雷射器製備核心技術得到迅速提升。
帶間級聯雷射器是一種以6.1 Å 族體系為主，通過量子工程的能帶設計及其材料外延、工藝製作而成的可以工作於中紅外波段的雷射器。由於結合了傳統的量子阱雷射器較長的上能級載流子複合壽命，以及量子級聯雷射器（QCL）通過級聯結構實現較高內量子效率的優點，在中紅外波段具有較大的優勢。
研究背景
中紅外波段包含了許多氣體分子的吸收峰，對於氣體分子而言，在中紅外波段的中心吸收截面一般比其在近紅外區的中心吸收截面高几個數量級。因此，為了獲得更高的靈敏度和更低的檢測限，利用中紅外的可調諧半導體雷射器吸收光譜技術（TDLAS）可以實現對特殊或有毒氣體的檢測。
常見的位於中紅外波段的氣體分子如圖1所示，諸如礦井氣體甲烷（CH4）分子吸收峰位於3260 nm，一氧化碳（CO）分子吸收峰位於4610 nm，二氧化碳（CO2）分子吸收峰位於4230 nm，氯化氫（HCl）分子吸收峰位於3395 nm，溴化氫（HBr）分子吸收峰位於4020 nm，氮氧化物（NOx）分子吸收峰位於2860 nm和3420 nm，二氧化硫（SO2）分子吸收峰位於4020 nm，乙烷（C2H6）分子吸收峰位於3360 nm等。工作於中紅外波段的帶間級聯雷射器可以廣泛地應用於氣體檢測中。
除了氣體檢測外，帶間級聯雷射器也可用於軍事領域中。紅外半導體雷射器由於體積小、效率高、易調製、環境適應強等優點在軍事領域得到了廣泛應用。紅外製導飛彈已經從第一代紅外尋的制導向第四代3～5 μm中紅外波段凝視成像制導發展，該技術大大提高了紅外製導飛彈的靈敏度和抗干擾能力，使其獲得了更遠的攻擊距離。
此外，中紅外波段還可以應用於工業過程控制、臨床呼吸診斷、紅外景象投影、醫學醫療和化學生物威脅探測等領域中；還可以作為光發射機進行通信，實現自由空間內的信息傳輸。
目前，可以實現中紅外波段雷射器的主要技術手段包括一類（type-Ⅰ）量子阱（QW）銻化鎵（GaSb）基的雷射器及其形成的一類級聯量子阱雷射器。此外還有目前在長波紅外和太赫茲波段非常熱門的量子級聯雷射器。本文重點介紹帶間級聯雷射器。
發展歷史
帶間級聯雷射器的概念是楊瑞青首次在1994年8月召開的第七屆國際超晶格微結構微器件會議的張貼報告中提出的，圖2為早期設計的帶間級聯雷射器的能帶圖。
值得注意的是，1994年4月，貝爾實驗室在《科學》上報導了第一個子帶間量子級聯雷射器。帶間級聯和量子級聯雷射器的研究都源於早期對於半導體超晶格的研究以及通過子帶間躍遷實現雷射器的探索。在帶間級聯雷射器提出的2～3年內，空穴注入區就已經提出並加入到了帶間級聯雷射器的結構中。同時，W型二類量子阱的概念也被提出，並取代了原先的單邊型的二類量子阱。空穴注入區和W型有源區的設計直到今天也一直被採用。
1997年，由休斯頓大學和桑迪亞國家實驗室合作完成的第一台可達170 K低溫工作的帶間級聯雷射器被報導出來，此後，對於二類量子阱的研究也取得了一定進展，而帶間級聯雷射器也在1998～2000年工作溫度逐漸提升至250～286 K，微分量子效率超過了傳統極限的100%，從而證實了級聯過程。
里程碑式的突破是在2002年，研究人員Yang等實現了第一台室溫脈衝激射的帶間級聯雷射器，由18個周期構成，閾值電流大於6 kA/cm2。
2002年之後，帶間級聯雷射器在美國噴氣推進實驗室（JPL）取得了更加快速的發展，在低閾值電流、高工作溫度以及長波長等方向上都取得了矚目的成果。其中最重要的是2005年，研究人員製作出的單縱模分布反饋式雷射器（DFB）可以實現甲烷氣體的檢測，並於2007年交付美國國家航空航天局（NASA）的好奇號進行火星的甲烷探測。
2008年，美國海軍實驗室（NRL）經過多年優化和發展，終於實現了里程碑式的第一台室溫連續激射的帶間級聯雷射器，連續波最高工作溫度可達319 K，激射波長為3.7 μm。2011年，美國海軍實驗室在材料設計的基礎上，又進一步提出了「載流子再平衡」的概念，解決了有源區中電子和空穴的數量不均等問題，通過改變電子注入區中的摻雜濃度，平衡有源區中過高的空穴濃度。之後，德國伍茲堡大學在「載流子再平衡」的基礎上，提出了短注入區的設計。
2014年，美國海軍實驗室通過增加有源級聯區的周期數及分別限制層的厚度，進一步提高了帶間級聯雷射器的器件指標，其室溫連續輸出功率達592 mW，輸出特性以及輸出波長如圖3和4所示。這也是目前帶間級聯雷射器輸出功率的最高指標，並在2015年成功製作級聯數為10的帶間級聯雷射器。
技術難點
- 帶間級聯雷射器的結構和能帶設計
帶間級聯雷射器雖然早在1994年就被提出，但是直到2008年才實現室溫連續激射。然而幾乎在同一時期出現的量子級聯雷射器已經取得飛速的發展，並在長波紅外以及太赫茲波段占據了主要優勢。一方面是由於現在對帶間級聯雷射器的研究較少，只有少數幾個研究單位在進行這方面的研究，諸如美國海軍實驗室、德國伍茲堡大學以及俄赫拉荷馬大學的研究組等；另一方面是由於帶間級聯本身設計十分複雜，其內部的原理有些還沒有統一的解釋，直接導致了帶間級聯雷射器在研究進展上十分緩慢。
然而，每一次對帶間級聯雷射器的更深理解都能帶動帶間級聯雷射器本身取得一些顯著的進展，比如「載流子再平衡」的設計，以及增加分別限制層的厚度來提高光學限制因子等，這些設計促使帶間級聯雷射器在發展過程中向前邁了一大步。
然而實際上，帶間級聯雷射器本身還有較多需要仔細考慮和優化的地方，需要進行能帶設計和材料設計。目前來看，其在能帶設計上的難點首先是級聯結構的設計。
為實現電子和空穴的重複利用，需要對電子注入區和空穴注入區進行設計，尤其是在更長波長或更短波長下，其電子注入區和空穴注入區的能帶結構也需要跟隨波長進行一定的微調，這在一定程度上增加了設計的複雜度。
此外，為了降低異質結的電壓降，需要在各個不同的區域之間（比如襯底與波導包層之間、波導包層和分別限制層之間、分別限制層和有源級聯區之間、上波導包層和上InAs蓋層之間）插入總共7組過渡層，這些過渡層需要進行特殊的設計來實現不同區域之間的過渡，而且這些過渡層的設計將會對最終的器件結果產生很大影響。
在設計上，其還需要進一步考慮的是各個區域的摻雜濃度。目前來看，雖然美國海軍實驗室已經在摻雜濃度方面進行了很多研究，但這些摻雜濃度的設計也同樣還有可以調節的餘地。通過對不同區域尤其是中心處、界面處和過渡層處的摻雜濃度進行改變，將會對器件的性能產生影響。
- 帶間級聯雷射器的材料生長
由於帶間級聯雷射器的結構特殊，整個器件結構的波導包層、過渡層以及有源級聯區大多是由InAs/AlSb超晶格組成。其超晶格的對數高達上千對，短周期超晶格的高頻次生長給分子束外延技術帶來了嚴峻的挑戰。在具體器件的生長過程中，InAs的生長窗口較窄，最優生長溫度較低，而AlSb的高質量生長需要較高的溫度，這要求對InAs/AlSb超晶格的生長條件進行折中考慮。
此外，由於InAs/AlSb超晶格材料之間沒有共同的原子，其超晶格界面處有可能出現諸如InSb、AlAs等界面，不同的界面類型將會對超晶格的表面形貌、電學和光學性質產生不同的影響。通過五族元素浸潤法或表面遷移率增強法可以直接對超晶格的界面類型進行控制，然而這種控制又會進一步增加材料生長的複雜度，並對生長時間產生較大的影響。
而且，InAs、AlSb均不與GaSb襯底晶格匹配，需要調整InAs和AlSb的比率來補償每層的應變，生長過程中即使很小的應變也會導致較厚的波導包層發生弛豫。同時，界面的控制也會對應變產生一定的影響，在具體的生長過程中需要對這些情況進行考慮。
為了增加光學限制，器件中需要生長較厚的GaSb體材料分別限制層，然而GaSb本身的最優生長溫度較高，而InAs/AlSb超晶格以及有源級聯區的最優生長溫度較低。為了給最重要的有源級聯區提供一個平整的表面，需要在生長過程中對各個區域的生長溫度進行控制，以達到最優的效果。
此外，在有源級聯區以及超晶格的生長過程中，As束流將會導致腔室內的背景變差，進一步將會影響超晶格和有源區及其界面的材料生長質量。因此在材料生長過程中，對As束流的控制也是一個關鍵。可以利用光學顯微鏡、原子力顯微鏡（AFM）、雙晶X射線衍射（XRD）來對材料的生長質量進行表徵。
- 帶間級聯雷射器的工藝製作
帶間級聯雷射器的製作工藝與常用的邊發射雷射器製作工藝基本相同，然而由於帶間級聯雷射器的組成大部分為InAs/AlSb超晶格，因此電流在穿過超晶格的波導包層和有源級聯區時，在材料的生長方向上會遇到較大的電阻，這種各向異性導致電流非常容易在超晶格中橫向擴散。
為了防止電流的橫向擴散，通常帶間級聯雷射器的脊條刻蝕深度大於傳統的量子阱雷射器，需要刻蝕到下分別限制層，也就是刻蝕的位置要超過有源級聯區。這種深刻蝕最終會導致器件具有更低的閾值電流密度，從而提高器件的性能。
此外，超晶格的干法刻蝕也對刻蝕條件提出一定的要求，為了獲得較好的側壁，需要調整材料的刻蝕條件，並且通常還要附加一段時間的化學濕法刻蝕來平滑側壁並去除污染物。
在不同的刻蝕條件下，不同材料的選擇比不同，因此側壁形貌不同，這種不同最終影響器件性能和光束質量，進而影響器件亮度，如圖5所示。
此外，與量子級聯雷射器一樣，帶間級聯雷射器的散熱也是影響器件性能的一個關鍵因素。通常，在沉積外延面一側的金屬後，還需要電鍍5 μm厚的金層，加強器件的散熱。對於絕緣層也會採用具有較高熱導率的Si3N4來代替熱導率相對較低的SiO2，並將厚金面採用倒焊工藝，縮短級聯區與高熱導係數的熱沉之間的距離，顯著提升器件的散熱能力，進一步降低連續波模式下的器件閾值電流，提升工作溫度，從而增加出光功率。
發展趨勢
隨著帶間級聯雷射器輸出功率的增加，考慮到雷射器的實用性，光束質量因子以及亮度開始受到研究者的關注。具有5個級聯區、腔長為4 mm、後腔面脊寬為5.5 μm、前腔面為63 μm、taper角度為0.42°的帶間級聯雷射器錐形器件的光束質量因子M2=2.3，亮度B=175 mW。此外，為了提高光束質量，也會將帶間級聯雷射器的脊條做成波紋側壁來抑制高階模式,美國海軍實驗室通過峰谷差別為1 μm、周期為2 μm的波紋側壁來提高光學限制因子。
同時，帶間級聯雷射器的波長也在向著小於3 μm、大於4 μm的方向發展。在此波段，仍需要進行更多的研究來擴展ICL的工作波長。目前帶間級聯雷射器已經基本可以實現2.7～5.9 μm的室溫及室溫以上的連續波模式工作。同時，俄赫拉荷馬大學在InAs等離子波導上的研究使帶間級聯雷射器的工作波長進一步擴展，在低溫下已經可以實現接近10 μm的雷射輸出。
此外，帶間級聯雷射器的設計理念也被多種器件所採用。採用類似結構的垂直腔面發射雷射器（VCSEL）也已經實現2.6 μm的激射波長，而激射波長在3 μm的帶間級聯LED（ICLED）也已經實現室溫工作，且輸出功率大於1 mW。同樣，基於量子工程的帶間級聯結構紅外探測器（ICIP）的光電器件可以克服載流子擴散長度的限制，高溫、高速工作，而且具有低噪聲的優點，初步的研究結果表明，帶間級聯紅外探測器可以在400 K以上溫度環境中工作。
另外，有關帶間級聯結構的具體物理機制，如費米能級定扎、V耦合腔帶間級聯雷射器等也得到了進一步的研究。
本文改寫自《光學學報》文章——半導體帶間級聯雷射器研究進展