半导体激光器器件和材料研究进展

刘义鹤 江洪

1 引言

近年来，半导体激光器凭借其体积小、效率高、性能稳定、结构简单等优势，取得了快速发展，已经在工业、医疗美容、国防军事等领域得到了广泛应用。随着各种高质量半导体材料及各种外形制备工艺取得突破，半导体激光器在材料和结构上的研究不断扩展。由于量子限制效应带来对载流子更强的约束，半导体激光器研究逐步从二维的量子阱结构向一维纳米线、零维的量子点激光器扩展。本文从二维、一维和零维半导体材料的角度出发，概括了半导体激光器的最新进展。

2 垂直腔面反射半导体激光器

在二维量子阱结构半导体激光器中，垂直腔面反射半导体激光器（VCSEL）是其最前沿的研究方向。美国加利福尼亚大学Charles A.Forman等人首次实现了基于非极性氮化镓（GaN）VCSEL的连续波操作。由于底部分布布拉格反射介质的热绝缘性质，造成传统VCSEL器件无法在连续波下操作。作者基于COMSOL热力学模型，将器件的热通路限制到了围绕底部分布布拉格发射镜（DBR）到达基座的p侧金属接触处。同时，金—金热压缩倒装芯片键合在p侧金属中产生裂缝和空隙进一步限制了热通路。他们最新的VCSEL器件中将腔长增加到23λ（激光器发射光波长），并利用金—铟固液扩散键合创造了限制更强的热通路，进而让器件热性能得到大幅改善。器件连续激光输出达到20 min，连续波和脉冲工作模式下6 μm孔径的VCSEL峰值输出功率风别达到150μW和700μW。在406 nm、412 nm和419 nm处均观测到激光发射。

瑞士量子电子研究所的Nürnberg J等人制备出一种模式锁定集成垂直腔面發射激光器（MIXSEL），通过优化群延迟色散，能够产生创纪录的139fs的超快脉冲激光。激光发射波长在1 034 nm，带宽13 nm，工作频率2.74 GHz。激光器可用于乙炔气体的双梳频谱仪中。激光器从底部到顶部依次为：24对砷化铝（AlAs）/砷化镓（GaAs）分布布拉格反射镜；嵌入在应变补偿AlAs0.86P0.14（铝砷磷）层中的单个铟镓砷（In0.23Ga0.77As）量子阱（QW）作为吸收器；9.5对Al0.15Ga0.85As/ AlAs DBR，以反射残留的808 nm泵浦光并防止吸收器被漂白；有源区，由嵌入泵吸收GaAs阻挡层的11个In0.2Ga0.8As量子阱组成，厚度为9nm；增益QW的压缩应变由大带隙拉伸应变AlAs0.86P0.14层平衡，这也提供了优化的载流子限制。最后，使用离子束溅射（IBS）沉积数值优化的全电介质抗反射（AR）顶部。器件结构如图1所示。

Xu W Z等人通过将双侧介质分布布拉格反射器之间的腔长度减小到6λ，观察到GaN基VCSEL中的超低激光阈值为413μJ/cm2，这是目前已知的氮化物光泵浦VCSEL中的最低值。他们的激光器自发发射系数（β）为0.1，极化程度为91%。笔者分析了短腔对自发辐射因子，增益系数增强和吸收减少间的相互关系，以及耦合量子阱对限制因子的影响。这项研究对未来精确制造氮化物VCSEL的结构具有重要意义。

美国亚利桑那大学A Laurain等人对VCSEL中腔体几何形状对激光器脉冲持续时间和峰值功率的影响进行了综合研究，包括V形腔、多折叠腔和碰撞脉冲锁模方案中的环形腔等。他们还提出了用于超短脉冲演示的增益和SESAM结构设计策略，对于超短脉冲VCSEL激光器的设计具有重要指导意义。

芬兰坦佩雷（Tampere）技术大学的Emmi Kantola等人利用光泵浦VCSEL制备出一种可应用于治疗皮肤病变的高功率黄色激光系统。该系统能够在约590nm处提供高达8W的输出功率，并包括一个手持式扫描仪，可轻松将光线传送到皮肤上。扫描区域可以从单个点（直径1.4mm）到覆盖1cm2面积的49个点变化。可在0～52 J/cm2范围内调节流量，具有线、方形和六边形等扫描模式，脉冲长度在10～100ms间可调。

美国加利福尼亚大学的Seung Geun Lee等人利用金属有机气相外延（MOCVD）首次制备出了具有隧穿结腔内接触的III族氮化物VCSEL。他们在原位激活并用HF进行表面处理过的重p型掺杂GaN上生长出重n型掺杂的GaN以制备隧穿结。他们的隧穿结腔内接触VCSEL发光波长408nm，阈值电流约15 mA（10kA/cm2），阈值电压7.8V，最大输出功率319μW，微分效率0.28%。

在连续波长的VCSEL输出功率方面，德国应用固体物理弗朗霍夫研究所的Holl P等人在2016年制备出了输出波长2μm具有最高输出功率的VCSEL。他们通过优化泵浦光斑直径，并用金刚石作为热沉材料，将热沉片温度设置为20 ℃时，激光器输出功率可以达到17 W。同年，他们的2.5μm连续激光发射的GaSb基VCSEL在20 ℃时输出功率也达到了7 W。这款激光器使用1 470 nm光代替980 nm作为泵浦源，从而减少了内量子效率丢失，并增加了泵浦光的吸收效率。2017年他们则将2.8 μm激光器在20 ℃下的输出功率推上0.85 W。

美国新墨西哥大学的ZHOU Yang等人则提出了一种亚波长光栅反射镜和光学增益结合的主动镜面结构，这种结构能够直接在热沉片上键合从而有效去除热量。他们指出，通过光波传播和热流分析，这种结构有望将VCSEL的功率放大到数千瓦级别。

金属卤化物钙钛矿也是一种极具前景的激光材料，可用于实现单片集成激光源，实现硅光子集成电路（PIC）的关键部件。钙钛矿可以从溶液中沉积，只需要低温处理，与通过III—V半导体的昂贵且低效的混合集成实现的最先进的激光器相比，可以显着降低成本并实现新的单片机接口控制器PIC架构。然而，到目前为止，由于钙钛矿的化学敏感性，没有建立基于光学光刻的微制造工艺。德国AMO公司的Piotr J.Cegielski等人提出了通过自上而下的工艺将第一甲基铵碘化铅钙钛矿微盘激光器单片集成到氮化硅PIC中。对于单片集成激光器，激光器在室温下显示出创纪录的低激光阈值4.7 μJ/cm2，这是一种互补的金属氧化物半导体兼容结构，可以集成在后端工艺中。该激光器结构如图2所示。

3 半导体纳米线激光器

半导体纳米线（NW）激光器因其对纳米级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较差，阈值能量高，严重制约了它们作为片上光源的前景。为了克服这些问题，研究人员已经取得一些进展。

澳大利亚国家大学Wei-Zong Xu等人制出了一种新型的垂直发射磷化铟（InP）纳米线激光器，表现出了高发射方向性，并降低了工作阈值。激光器的结构结合了集成在猫眼（CE）天线中的InP NW。由于天线的不对称性使其具有强的聚焦能力和高Q因子（放大倍率），让设计出的InP CE NW激光器的偏振度更高、发射角更窄，并提高了内量子效率，降低了激光阈值。这种NW激光天线系统为实现高性能纳米级激光器提供了非常有前景的方法，在当前和未来的集成纳米光子学系统中用作高度局部化光源的良好前景，用于高级传感，高分辨率成像应用和量子通信。InP NW激光器的出光分布、频谱及能流—强度曲线如图3所示。

KS Daskalakis等人研究了在GaN微米线中基于自构限位腔体微单元散射效应的随机激光发射现象。随机激光的光谱和空间分辨率表明所发射的随机激光模式产生于微米线的不同区域。其温度依赖性测试表现出52K的优秀特征温度。微米线中利用微坑的散射效应提供光学反馈回路，这种散射反馈机制反馈机制可以避免制造GaN的人工腔结构的巨大困难，将来有望实现低成本GaN基紫外激光二極管。

Mahmoud Behzadirad等人提出了高度有序GaN纳米阵列的自上而下、两部制备方法。他们指出，利用干涉光刻技术，可以精确控制参数，以获得具有优异质量和所需纵横比的高度有序的纳米线阵列。他们制备出面积大于105μm2的GaN纳米阵列，宽高比大于50，纳米线半径最小达到17nm，原子壁粗糙程度小于1nm。时域有限差分（FDTD）建模分析表明，HE11是纳米线半径小于100nm的主要传播模式。利用改纳米线阵列制备的激光器具有1 139～2 443的高Q因子，对应线宽为0.32～0.15nm（最小阈值为3.31MW/cm2）。

美国密歇根大学的Xiaoqin Wu等人研究了硫化镉（CdS）纳米线激光，它自发地内化到单个细胞中，作为独立的细胞内探针（见图4）。通过纳米焦耳光脉冲泵浦，可以在细胞内观察到绿色激光发射（500～520nm），峰宽线宽窄至0.5nm。由于亚微米直径（约200nm），NW在外部具有相当大的消逝场，有助于灵敏地检测细胞环境变化。通过监测响应于细胞内折射率变化的激光峰值波长偏移，NW激光探针显示出每RIU（折射率单位）55nm的灵敏度和大约98的品质因数。

4 半导体量子点激光器

东京技术研究所的Daisuke Inoue等人首次实现了在（001）面硅上生长的InAs/GaAs量子点激光器的直接调制。他们的InAs/GaAs量子点激光器发射波长为1.3μm。激光器有源区为5层高质量量子点层，并具有p型调制掺杂的GaAs势垒层，空穴浓度为5×1017cm-3，以抑制增益饱和（见图5）。

在3×580m2法布里—珀罗激光器上的小信号测量显示，在116 mA的偏置电流下，3dB带宽为6.5 GHz。通过直接探测芯片实现了12.5 Gbit/s的非归零信号调制。在室温下观察到睁眼，消光比为3.3dB。比特误码率（BER）曲线显示没有错误底限，BER达到1×10-13。在Si上使用QD激光器进行的12km单模光纤传输实验表明，在5Gbit/s时，功率损失为1 dB。这些结果表明，在Si上外延生长的QD激光器可用作光通信系统的低成本光源。

瑞士量子电子学研究所的Cesare G.E.Alfieri等人实现了一种基于量子点光泵浦VCSEL的最短脉冲和最高脉冲峰值功率（图6）。他们的激光器脉冲宽度达到216fs，平均输出功率为269mW，脉冲重复频率为2.77GHz，峰值功率为396W在1.67GHz的较低脉冲重复率下，研究者实现193fs脉冲，平均输出功率为112mW。他们通过饱和恢复的比较分析指出，量子点VCSEL相比量子阱VCSEL具有更长的载流子寿命，因此能够获得更高的光-光泵浦效率。

美国加利福尼亚大学的Daehwan Jung等人制备出单片集成在Si衬底上的1.3μm量子点激光器，实现了6.2mA的阈值电流，185mW的输出功率和超过100万h的优异的器件寿命。

北京大学的Kexiu Rong等人利用位子不确定度为21nm的暗场光学成像技术结合高分辨率电子束光刻技术，实现无缺陷的胶体量子点激光器和银纳米线的精确对准配置在芯片上，制备出片上量子点激光器。他们指出，由于银纳米线对亚波长场的限制作用，能使这种激光器输出面试面积仅为0.008λ2的深亚波长相干源。

5 结语

半导体激光器和其他类型的激光器一样，其研究发展朝着信息型和功率型2个方向推进。超快、高功率半导体激光器也代表了光电子领域的最高水平，其应用范围已经延伸到了生活的方方面面。半导体激光器关键技术总体来说包括5个方面：芯片外延技术、封装技术、光学准直技术、光束整形技术和激光器集成技术。半导体激光器的应用也表现出替代当前主流激光器——光纤激光器的趋势。在未来，随着激光电视、激光雷达、激光医疗器材的应用不断深入，各种新的应用不断扩展，半导体激光器必将展现出广阔的市场前景，也必将更大程度造福人类社会。