宽禁带半导体碳化硅在中红外激光方面的应用

王顺冲

宽禁带半导体碳化硅在中红外激光方面的应用

王顺冲

（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南 郑州 450002）

中红外波段的激光在分子光谱、气体探测、环境保护、医学、激光通讯、红外遥感及光电对抗等领域被广泛应用。常用的中红外非线性光学晶体（硫化物及硒化物等）受低激光损伤阈值的限制，不能满足当今对大功率中红外激光的迫切需求。碳化硅优异的物理性质如宽的带隙（2.3～3.2eV）、高的热导率（490W/（m·K））及强的共价键能（5eV）等有利于提高其抗激光损伤能力。因此，碳化硅将是一种有重要应用前景的中红外非线性光学材料。

碳化硅；中红外激光；相位匹配；非线性光学晶体

1 中红外激光的重要作用

中红外波段的激光不仅是研究分子光谱学、强场物理等学科的重要手段，而且被应用于工业及军事等领域。3～5μm和8～12μm波段的光波具有较高的透过率，是大气的低损耗窗口，因而，该波段激光对大雾、烟尘等具有很强的穿透力，在军事上可用于激光通讯、红外遥感、红外热成像、红外测距及激光瞄准等。此外，许多重要的碳氢气体及其他有毒气体分子在3～5μm波段都有很强的特征吸收峰［2］。因此，中红外激光在气体探测、大气遥感和环境监测等领域也具有广泛的应用。

2 中红外激光的产生

目前，中红外波段的固体激光光源极其缺乏，这是由于固体激光器的增益介质受到多声子弛豫过程的影响，固体激光器输出的激光波长一般小于3μm。铅盐半导体（PbSnTe、PbSnSe及PbCdS等）的带隙宽度约为几百毫电子伏特，对应于中红外波段的光子能量，因此，铅盐半导体激光器可用来输出中红外激光。但是，铅盐半导体材料的热导率很低，为4.7W/（m·K），大部分铅盐半导体激光器都需要在低温下工作，而且输出功率低，价格昂贵。半导体量子级联激光器（GaInAs/AlInAs）是1994年贝尔实验室研制的一种新型的中红外激光光源，它与铅盐半导体激光器不同，量子级联激光器是单极器件，它只需要电子参与，电子通过在量子阱导带子能级之间的跃迁发射光子，并隧穿到下一级，逐级传递下去，其激光发射波长取决于由量子限制效应引起的两个激发态之间的能量差，而与半导体材料的带隙无关。量子级联激光器是一个高难度的量子工程，结构复杂，国际上仅有少数几个课题组开展这方面的研究。此外，量子级联激光器阈值电流密度大，散热性差，一般也需要在低温环境下工作，其输出激光的波长不能连续调谐，线宽较宽。

采用非线性光学频率变换的技术，如光参量振荡、光参量放大及差频等，把可见或近红外的激光频率下转换至中红外波段，是目前获得高功率全固态中红外激光的主要方式。随着中红外非线性光学晶体的发展，差频和光参量越来越显示出它们的优势，在现有固体激光器的基础上利用差频和光参量技术实现中红外激光输出将是中红外激光的发展方向。

3 现有的中红外非线性光学晶体材料

经过多年来人们对非线性光学材料的探索和研究，虽然在紫外和可见光波段已经获得了大尺寸、高质量的非线性光学晶体，如KDP、KTP、BBO及LBO晶体等，但在中红外波段，仍然缺乏合适的非线性光学晶体，至今能得到实际应用的较少。在整个非线性光学的光谱波段范围内，中红外波段的非线性光学晶体是一个薄弱环节。目前，常用的中红外非线性光学晶体有LiNbO3、AgGaS2、Ag-GaSe2、GaSe、ZnGeP2及LiInS2等，其非线性光学性能显示现有的中红外非线性光学晶体都具有较低的激光损伤阈值，这限制了大功率中红外激光器的产生。因此，寻找性能优良的新型中红外非线性光学晶体材料已成为当前中红外激光研究领域的难点和前沿方向之一。

4 碳化硅材料的光学性能研究

碳化硅（SiC）晶体作为一种性能优异的宽禁带半导体材料，在高温、高频及大功率电子器件方面有重要的应用。此外，SiC与GaN具有较小的晶格适配度，也是外延生长氮化物LED的理想衬底材料。根据SiC晶体自身的物理性能，如高的热导率、宽的带隙及良好的化学稳定性等优势可以预测，SiC将是一种有广阔应用前景的非线性光学材料。SiC晶体最常见的晶型为3C-SiC，4H-SiC及6H-SiC。其中，3C-SiC为立方结构，具有对称中心，因而不存在二阶非线性光学效应。4H和6H-SiC晶体为六方结构，点群为6mm，存在二阶非线性光学效应。SiC晶体高的热导率、宽的带隙及高的机械强度保障了其优异的抗激光损伤性能。实验结果显示，在脉宽为10ns的1 064nm激光测试条件下，4H及6H-SiC晶体的损伤阈值高达80GW/cm2。高的激光损伤阈值预示着SiC晶体在非线性光学频率变换领域将有巨大的应用价值。

制约4H及6H-SiC晶体在中红外非线性光学领域应用的一个重要因素是缺少准确的相位匹配研究结果。相位匹配是指在非线性光学频率变换过程中，参与相互作用的三个光波要满足动量守恒。在此情况下，介质中新产生的光波与之前产生的光波不存在相位差，光波的强度不断增强，进而非线性光学频率转换才有较高的效率。对于4H和6H-SiC晶体，它们属于正单轴晶体，相位匹配可以利用其双折射来补偿由色散引起的不同波长的相速度差，即采用不同的偏振光来使不同波长的光具有相同的相速度。一定温度下，晶体的折射率数据唯一决定了该晶体在透光范围内是否满足非线性光学频率变换的相位匹配条件。因而，4H和6H-SiC晶体折射率的精确测量是研究其非线性光学性质的重要前提。

1944 年，Thibault［1］采用最小偏向角法率先测量了6H-SiC在可见光波段（0.404 7～0.670 8μm）的折射率，测试的精度约为3×10-4。1968年，Choyke等人［2］采用牛顿等倾干涉法测量了6H-SiC的o光折射率（no），并把no扩展到紫外和红外波段，测量精度约为2×10-3。1971年，Shaffer［3］测量了4H和6H-SiC在可见光波段（0.467-0.691μm）的折射率，并拟合了它们的色散方程，测量精度约为1×10-3。1971年，Singh等人［4］通过最小偏向角法测试了6HSiC在6个波长（0.488 0，0.501 7，0.514 5，0.532 1，0.632 8及1.064μm）下的折射率，并提出采用6H-SiC作为非线性光学晶体利用II类相位匹配在基频光波长大于2.0μm时实现倍频输出，以基频光波长2.128μm为例，其相位匹配角为75°。需要指出的是，Singh等人测试6H-SiC折射率时采用的波长最大仅为1.064μm，基于短波长的折射率拟合的色散公式外推长波长的折射率会导致结果存在较大的偏差。2003年，Baugher等人［5］测量了6H-SiC晶体的双折射（ne-no），并基于文献Silicon Carbide(SiC)［6］中报道的折射率no，计算出6H-SiC晶体可以满足光参量振荡的相位匹配条件。

早期的4H和6H-SiC晶体的折射率数据主要集中在可见光波段，缺乏红外光波段的折射率实验数据。然而，基于可见光波段的折射率色散方程进行外推计算中红外波段的折射率，会导致较大误差，进而计算的相位匹配情况也可能会存在严重错误，这也导致较长时期内没有SiC中红外非线性光学频率变换的实验报道。

5 碳化硅材料在中红外激光领域的新应用

S.C.Wang等人［7］测试了0.404-2.325μm波长范围内的4H以及6H-SiC的折射率，并测试了4H-SiC晶体在3-5μm范围的o光折射率，并给出了相应的色散方程。对于6H-SiC晶体，计算结果表明，在其透光范围内（0.4-6.0μm），6H-SiC晶体不能实现倍频相位匹配，对于其他非线性频率变换过程如光参量及差频等，同样不能满足相位匹配条件；只有4H-SiC晶体可以实现中红外激光输出的相位匹配条件。进而在实验上，采用飞秒宽谱激光器作为泵浦光，利用4H-SiC晶体在82°相位匹配角下，通过差频实验首次实现了3.8-5.6μm宽谱的中红外激光输出；当泵浦光的功率为430MW时，输出的中红外光激光平均功率为0.2MW。随后，H.T.Fan等人［8］利用4H-SiC晶体通过光参量放大也实现了17μJ的脉冲中红外激光输出。

6 小结

SiC晶体具有高的热导率、高的激光损伤阈值及良好的化学稳定性，是一种性能优异的非线性光学材料，而对其非线性光学性能的研究是一个机遇与挑战并存的领域，其中有一些问题有待进一步解决，如高透过率SiC晶体的生长及SiC晶体表面的无损伤加工等，这些问题的解决将对SiC在非线性光学频率变换领域的应用具有重要的推动作用。

［1］NW Thibault.Morphological and structural crystallography and optical properties of silicon carbide(SiC);Part I,Morphological crystallography and etching figures［J］.Mineral，1944（29）：327-362.

［2］L Patrick，WJ Choyke.Refractive index and low-frequency dielectric constant of 6H-SiC［J］.Journal of the Optical Society ofAmerica，1968（3）：377-379.

［3］PTB Shaffe.Refractive index,dispersion,and birefringence of silicon carbide polytypes［J］.Applied Optics，1971（5）：1034-1036.

［4］S Singh，JR Potopowicz，LG Van Uitert，et al.Nonlinear optical properties of hexagonal silicon carbide［J］.Applied Physics Letters，1971（3）：53-56.

［5］B Baugher，J Goldstein.Temperature dependence of the birefringence of SiC［J］.Optical Materials，2003（3-4）：519-528.

［6］WJ Choyke，ED Palik.Silicon Carbide(SiC)［J］.Handbook of Optical Constants of Solids，1997（12）：587-595.

［7］SC Wang，MJ Zhan,G Wang，et al.4H-SiC:a new nonlinear material for midinfrared lasers［J］.Laser&Photonics Reviews，2013（5）：831-838.

［8］HT Fan，CH Xu，ZH Wang，et al.Generation of broadband 17-μJ mid-infrared femtosecond pulses at 3.75-μm by optical parametric amplification based on SiC crystal［J］.Opt.Lett，2014（21）：6249-6252.

Wide Bandgap Semiconductor SiC:New Effect in Outputting Mid-infrared Laser

Wang Shunchong
（Patent Examination Cooperation Center of the Patent Office,State Intellectual Property Office，Henan，Zhengzhou Henan 450002）

The mid infrared laser has been widely used in molecular spectroscopy,gas detection,environmental protection,medicine,laser communication,infrared remote sensing and photoelectric countermeasure.The commonly used mid infrared nonlinear optical crystals(sulfides and selenide)are limited by the low laser damage threshold,which can not meet the urgent needs of high-power mid infrared laser.The outstanding physical properties of SiC such as wide bandgap(2.3～3.2eV),high thermal conductivity(about 480 W/(m·K)),and high bond energy(about 5eV/bond)may benefit the optical resistance.Therefore,SiC could be a promising candidate for high power mid-infrared laser.

SiC；mid-infrared laser；phase matching；nonlinear optical crystal

O613.7

A

103-5168（2017）09-0133-03

2017-08-01

王顺冲（1986-），男，博士，助理研究员，研究方向：半导体及其器件。