半導體材料體系的迭代更新一直緊密關聯(lián)著高新技術的發(fā)展。第一代半導體材料主要為硅（Si）與鍺（Ge），第二代半導體材料主要為砷化鎵（GaAs）與磷化銦（InP），第三代半導體材料主要為碳化硅（SiC）與氮化鎵（GaN）。隨著前三代半導體材料及由其制備的典型器件相繼得到廣泛應用，微電子、通信、量子信息、人工智能、碳中和等高新技術獲得了巨大的發(fā)展驅(qū)動力，并實現(xiàn)變革性突破；與此同時，高新技術的快速發(fā)展也對半導體器件的性能和功耗等提出了更高的要求，促進著半導體器件的迭代更新。因此，如何發(fā)展實現(xiàn)兼具高性能、低功耗、低成本的第四代半導體材料器件技術，已成為國際前沿技術領域的研究熱點和重點。
第四代半導體材料器件技術的潛在目標材料體系主要包括：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、半導體制備工藝兼容性高等獨特優(yōu)勢，發(fā)展?jié)摿薮?，在成像、遙感、傳感、氣體探測等諸多方面具有重要用途，同時也是國際同行公認的新一代紅外中長波段激光、探測、半導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型量子阱結構已能實現(xiàn)2~3微米半導體激光器的室溫連續(xù)瓦級功率輸出，基于GaInSb/AlSb材料的銻化物Ⅱ型帶間級聯(lián)結構已能實現(xiàn)3~4微米半導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構的探測器更是實現(xiàn)了近紅外到數(shù)十微米甚長波的整個紅外區(qū)域的完整覆蓋。此外，銻化物半導體材料具有小的電子與空穴質(zhì)量，室溫載流子遷移率遠超前三代半導體材料體系，在實現(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)出不可替代的應用前景。
在國家自然科學基金重大項目及重點項目、國家重點研發(fā)計劃項目等的長期支持下，中科院半導體研究所牛智川研究員團隊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，突破了復雜低維結構大尺寸外延生長的技術難題，發(fā)展出多功能、多系列銻化物光電子器件的制備技術。研究團隊從經(jīng)典半導體能帶理論出發(fā)，創(chuàng)新提出了銻化物數(shù)字合金短周期超晶格勢壘結構，發(fā)展出分子束外延技術并實現(xiàn)銻化物低維材料原子級高精度可控高重復性外延生長，攻克了銻化物多元復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體激光器，其波長能夠覆蓋2~4微米波段，技術水平處于國際一流梯隊。
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短周期超晶格勢壘銻化物
應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、激光雷達、醫(yī)學儀器、激光加工、環(huán)境監(jiān)測等多種光電系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展更離不開半導體紅外激光器等核心器件的支撐。進入21世紀以來，銻化物分子束外延材料技術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，銻化物半導體激光器技術日益呈現(xiàn)出重大的應用價值和廣闊的應用前景。
傳統(tǒng)銻化物結構有源區(qū)價帶帶階會隨著銦組分的增加而逐漸降低，進而導致其在長波長處出現(xiàn)嚴重的載流子泄露以及發(fā)光效率下降。為解決這一難題，研究團隊創(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構：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體結構量子阱材料的組分精確控制、有源區(qū)價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，同時采用二元超晶格材料構建了與四元合金材料相同的有效折射率，構建形成2微米波段大功率高效率數(shù)字合金量子阱激光器結構，其最大光電轉換效率達到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，在相關指標上實現(xiàn)了對銻化物大功率激光器技術封鎖的突破。在此基礎上，研究團隊通過不斷優(yōu)化設計，在2021年實現(xiàn)2.043瓦的單管室溫連續(xù)輸出功率，這也是目前該指標的國際最高記錄。
在銻化物長波長激光器方面，2015年研究團隊通過在有源區(qū)中引入高銦組分和AlGaInAsSb五元合金勢壘，以犧牲導帶帶階的代價提高價帶帶階，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，研究團隊實現(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型量子阱結構實現(xiàn)的2~3微米半導體激光器的完整覆蓋。
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銻化物帶間級聯(lián)激光器和單模激光器
帶間級聯(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，又可通過載流子的隧穿躍遷實現(xiàn)單個電子發(fā)生多次躍遷并產(chǎn)生多個光子，具有很高的量子效率。帶間級聯(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聯(lián)激光器中子帶間光聲子輻射而引發(fā)的非輻射復合，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，因此在外延層的設計中可以采用成熟的材料結構，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型量子阱結構相比具有絕對優(yōu)勢。
研究團隊基于維加德定律（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、價帶帶階差、折射率等關鍵參數(shù)進行了計算，并在此基礎上，對AlSb/InAs/InGaSb/InAs的“W”型二類量子阱開展了深入研究：模擬了其能帶結構、導帶與價帶帶階差、能級位置與發(fā)光波長、波函數(shù)分布，并計算了其在電壓下量子阱的準費米能級分裂（QFLS）、載流子注入濃度、光增益；分析了二類量子阱帶間級聯(lián)激光器的結構和工作原理，優(yōu)化了帶間級聯(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，驗證了其可覆蓋整個中紅外波段；設計和模擬了各個功能區(qū)之間的過渡層，并對全器件結構的晶圓片進行了表征；此外，在優(yōu)化刻蝕條件的基礎上，確定了半導體工藝制程，實現(xiàn)了晶圓到實際器件的制備，并設計了中紅外帶間級聯(lián)激光器的腔面膜，最終實現(xiàn)帶間級聯(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。該項成果填補了國內(nèi)在中紅外波段銻化物帶間級聯(lián)結構激光器方面的技術空白。
在氣體檢測、量子通信等領域中，高性能的銻化物激光種子源都具有重要的應用價值。為此，研究團隊深入研究了銻化物側耦合分布反饋半導體激光器：2016年通過全息曝光技術，實現(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)化金屬光柵結構設計和制備工藝，實現(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，相關成果發(fā)表在《應用物理快報》（Applied Physics Letters），之后國際半導體產(chǎn)業(yè)雜志《化合物半導體》（Compound Semiconductor）給出了“該類型激光器為天基星載雷達系統(tǒng)和氣體檢測系統(tǒng)提供了有競爭力的光源器件”的評價；2021年，研究團隊通過進一步優(yōu)化三階側壁光柵分布反饋結構，實現(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，這標志著研究團隊在銻化物單模激光器的研究工作已經(jīng)處于國際領先水平。
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)出不可替代的關鍵性作用，其二類超晶格材料在近紅外到遠紅外焦平面探測器的研發(fā)過程中也實現(xiàn)了跨越式發(fā)展和典型應用。圍繞紅外激光和探測技術發(fā)展而來的第四代銻化物半導體器件也已展現(xiàn)出向高性能、低功耗、低成本發(fā)展的巨大潛力，而在關鍵光電器件技術開發(fā)方面的不可替代性更是其能夠成為國際前沿技術研究焦點的重要原因。以中國科學院半導體研究所為代表的國內(nèi)科研單位通過多年的技術積累和攻關，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、器件設計，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、國際一流技術水平支撐的合力帶動下，我國第四代銻化物半導體技術已實現(xiàn)從原始概念到器件的制備，并正在漸次實現(xiàn)由實驗室研究向批量化生產(chǎn)及工業(yè)化廣泛應用的階段性轉換。