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半導體材料體系的迭代更新一直緊密關聯著高新技術的發展。第一代半導體材料主要為矽（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矽（SiC）與氮化鎵（GaN）。隨著前三代半導體材料及由其製備的典型器件相繼得到廣泛應用，微電子、通訊、量子資訊、人工智慧、碳中和等高新技術獲得了巨大的發展驅動力，並實現變革性突破；與此同時，高新技術的快速發展也對半導體器件的效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，如何發展實現兼具高效能、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）、超寬頻隙的氧化鎵（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，具有紅外發光、能帶可調的物理特性，是天然晶格匹配的材料體系，與傳統的鐳射與探測材料相比，更是具有晶格匹配性好、均勻性好、單片基片尺寸大、半導體制備工藝相容性高等獨特優勢，發展潛力巨大，在成像、遙感、感測、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鐳射、探測、半導體光電整合晶片的首選材料體系，為各種新型功能晶片器件的研究提供了極大的發展空間。
目前，基於InGaAsSb/AlGaAsSb材料的銻化物Ⅰ型量子阱結構已能實現2~3微米半導體鐳射器的室溫連續瓦級功率輸出，基於GaInSb/AlSb材料的銻化物Ⅱ型帶間級聯結構已能實現3~4微米半導體鐳射器的室溫連續高功率輸出，其波長在低溫下可延伸拓展至10微米，基於InAs/GaSb材料的二類超晶格結構的探測器更是實現了近紅外到數十微米甚長波的整個紅外區域的完整覆蓋。此外，銻化物半導體材料具有小的電子與空穴質量，室溫載流子遷移率遠超前三代半導體材料體系，在實現超低功耗、超高速的微電子積體電路器件方面具有無可比擬的優勢，而其良好的熱電效能，則使得各類含銻元素的晶體材料在熱電製冷器件研究中展現出不可替代的應用前景。
在國家自然科學基金重大專案及重點專案、國家重點研發計劃專案等的長期支援下，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控研究，突破了複雜低維結構大尺寸外延生長的技術難題，發展出多功能、多系列銻化物光電子器件的製備技術。研究團隊從經典半導體能帶理論出發，創新提出了銻化物數字合金短週期超晶格勢壘結構，發展出分子束外延技術並實現銻化物低維材料原子級高精度可控高重複性外延生長，攻克了銻化物多元複雜化合物系列鐳射器的製備工藝難題，成功研製了多款高效能銻化物紅外半導體鐳射器，其波長能夠覆蓋2~4微米波段，技術水平處於國際一流梯隊。
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短週期超晶格勢壘銻化物
應變數子阱高功率鐳射器
作為大氣視窗的重要波段之一，2~4微米紅外波段不僅具有光傳輸優勢，而且包含眾多的氣體分子特徵吸收峰，具有高靈敏光吸收特性，而據此衍生出的制導、鐳射雷達、醫學儀器、鐳射加工、環境監測等多種光電系統的持續發展更離不開半導體紅外鐳射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，並迅速引發銻化物光電器件的研究熱潮，銻化物半導體鐳射器技術日益呈現出重大的應用價值和廣闊的應用前景。
傳統銻化物結構有源區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嚴重的載流子洩露以及發光效率下降。為解決這一難題，研究團隊創新提出了AlSb/AlAs/AlSb/GaSb短週期超晶格數字合金勢壘與漸變層新型量子阱結構：透過在量子阱兩端增加二元材料短週期超晶格勢壘，利用超晶格薄層材料形成的微帶勢壘實現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、有源區價帶空穴限制不足的難題，提高了2~3微米波段的鐳射發光效率，同時採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字合金量子阱鐳射器結構，其最大光電轉換效率達到27.5%，插頭效率超過15%，鐳射器單管功率提高至1.62瓦，巴條（Bar）功率超過16瓦，在相關指標上實現了對銻化物大功率鐳射器技術封鎖的突破。在此基礎上，研究團隊透過不斷最佳化設計，在2021年實現2.043瓦的單管室溫連續輸出功率，這也是目前該指標的國際最高記錄。
在銻化物長波長鐳射器方面，2015年研究團隊透過在有源區中引入高銦組分和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類量子阱光致發光的波長拓展到3.83微米，同年實現了2.4微米鐳射器的室溫連續激射。在隨後的幾年中，研究團隊實現了2~3微米鐳射器的室溫連續激射，其中2.6微米鐳射器的室溫連續激射功率為325毫瓦，2.75微米鐳射器的室溫連續輸出功率為60毫瓦，這也是國內首次基於銻化物Ⅰ型量子阱結構實現的2~3微米半導體鐳射器的完整覆蓋。
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銻化物帶間級聯鐳射器和單模鐳射器
帶間級聯鐳射器是一種介於傳統雙極型帶間躍遷鐳射器與單極型量子級聯鐳射器之間的混合型鐳射器，既具有帶間躍遷無需聲子參與的優點，又可透過載流子的隧穿躍遷實現單個電子發生多次躍遷併產生多個光子，具有很高的量子效率。帶間級聯鐳射器透過帶間躍遷來發射光子，能夠較好地避免由量子級聯鐳射器中子帶間光聲子輻射而引發的非輻射覆合，具有更低的閾值電流密度和更高的特徵溫度。此外，由於其有源區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採用成熟的材料結構，透過調整阱寬來獲得更大範圍的鐳射波長，尤其在3~4微米波段與Ⅰ型量子阱結構相比具有絕對優勢。
研究團隊基於維加德定律（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、禁頻寬度、價帶帶階差、折射率等關鍵引數進行了計算，並在此基礎上，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、能級位置與發光波長、波函式分佈，並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鐳射器的結構和工作原理，優化了帶間級聯鐳射器採用的“W”型量子阱的襯底溫度，並透過調整Ⅴ/Ⅲ比，解決了“W”型量子阱中InGaSb空穴阱的As併入問題；透過調整InAs電子阱的厚度來調節“W”型量子阱的發光波長，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之間的過渡層，並對全器件結構的晶圓片進行了表徵；此外，在最佳化刻蝕條件的基礎上，確定了半導體工藝製程，實現了晶圓到實際器件的製備，並設計了中紅外帶間級聯鐳射器的腔面膜，最終實現帶間級聯鐳射器的室溫連續工作，其工作波長為3.5微米，閾值電流密度為267安培/平方釐米（A/cm2），鍍膜後輸出功率為55毫瓦。該項成果填補了國內在中紅外波段銻化物帶間級聯結構鐳射器方面的技術空白。
在氣體檢測、量子通訊等領域中，高效能的銻化物鐳射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佈反饋半導體鐳射器：2016年透過全息曝光技術，實現了銻化物單模鐳射器的室溫連續工作，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，實現了邊模抑制比為35分貝的單模鐳射；2019年透過最佳化金屬光柵結構設計和製備工藝，實現了室溫連續輸出功率為40毫瓦、邊模抑制比為53分貝的單模鐳射，相關成果發表在《應用物理快報》(Applied Physics Letters)，之後國際半導體產業雜誌《化合物半導體》（Compound Semiconductor）給出了“該型別鐳射器為天基星載雷達系統和氣體檢測系統提供了有競爭力的光源器件”的評價；2021年，研究團隊透過進一步最佳化三階側壁光柵分佈反饋結構，實現了室溫連續輸出功率為60毫瓦的單模鐳射，並將最大邊模抑制比提高至57分貝，這標誌著研究團隊在銻化物單模鐳射器的研究工作已經處於國際領先水平。
如今，銻化物材料在2~4微米波段的中紅外鐳射愈發表現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過程中也實現了跨越式發展和典型應用。圍繞紅外鐳射和探測技術發展而來的第四代銻化物半導體器件也已展現出向高效能、低功耗、低成本發展的巨大潛力，而在關鍵光電器件技術開發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科研單位透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、材料生長最佳化、器件設計，到製備工藝開發、整合光電晶片製造及封裝測試的全產業、全國產化鏈條。在國家重大需求牽引、科技創新驅動、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從原始概念到器件的製備，並正在漸次實現由實驗室研究向批次化生產及工業化廣泛應用的階段性轉換。
致謝：感謝國家自然科學基金重大專案“銻化物低維結構中紅外鐳射器基礎理論與關鍵技術”（專案編號：61790580）的支援。
本文刊登於IEEE Spectrum中文版《科技縱覽》2021年10月刊。
