GaAs基近红外长波长材料和激光器研究获得重要进展---国内首次成功制备GaAs基长波长激光器 发布人:liuli  发表日期：2004-11-2  已经有916位读者读过此文

InAs量子点激光器 [点击上图放大]

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进行实验 [点击上图放大]

     近日，由我所半导体超晶格国家重点实验室牛智川研究员承担的GaAs基近红外波段半导体光电子材料生长和激光器研究项目获得重要突破：成功制备了GaAs基InGaAs自组织量子点边发射激光器，激射波长1.33微米，室温连续工作。这是迄今为止国内首次成功制备GaAs基长波长激光器。是GaAs基近红外材料在激光器、探测器等器件中得到推广应用的最重要进展。关键突破在于掌握了自主知识产权长波长高密度量子点生长核心技术，同时还开发优化了新型GaAs基长波长激光器新工艺。

     一、半导体材料光子集成技术成为国际学术界和产业界研发的热点

    未来的光纤网络必须依靠各种光子集成功能器件来支撑，只有集成才能带来速率的提高、功能的扩展、性能的优化及高度的可靠与稳定性，半导体材料光子集成技术因此成为国际学术界和产业界研发的热点。

    目前光通讯波段用的材料主要集中在以InP为基片的GaInAsP和GaAlInAs体系，这种材料系在与波分复用(WDM)技术相关的发射、调制、放大、波导、接收等以单元器件为基础的小规模集成系统上，取得了成功，促进了光网络、特别是光传输网络的发展。而InP基材料也存在难以克服的缺点如：(1)InP基材料进一步提高功能化光电子单片集成度遇到很多困难；(2)与Si基和GaAs基为主的微电子器件进行单片集成的兼容性差；(3)InGaAsP/InP系的导带偏移量很小，使得InGaAsP器件(特别是注入型器件)的温度特性差，为改善其温度稳定性所需的工艺代价较大；(4)InP基材料系的折射率差别较小，难以研制垂直腔器件。以上这些因素使InP基材料在规模化半导体单片光子集成、光电子集成应用上，长期难以取得大的进展。

    因此，发展适于通讯波段的GaAs基新材料体系十分必要。这是由于与InGaAsP等长波长材料相比，新型GaAs材料晶格常数能与Si衬底匹配生长，还可利用GaAs/AlAs的Bragg反射器结构制备垂直运作器件，可实现与微电子集成融为一体的光电单片集成，如Si基CMOS及GaAs基HEMT、MESFET、HBT等。目前GaAs基近红外长波长材料主要有InAs自组织量子点、GaInNAs以及GaInNAsSb量子阱等。InAs自组织量子点材料的优越性在于利用量子限制效应提高器件性能；这是由于量子限制效应将导致电子态密度能谱分布的浓缩、分立；光和低维结构的相互作用将发生重要变化，多体关联效应和非线性光学效应变得越来越显著。强量子封闭效应导致器件光增益、温度稳定性、阈值电流等性能质的改善；量子点低维结构光电器件将具有更高速、更低功耗、新功能等独特优越性。GaInNAs和GaInNAsSb等材料是90年代后期人们提出的一种新型多元化合物，由于N原子或Sb和As原子在电负性和原子尺寸上的差异，导致禁带宽度随N或Sb组分增加而迅速减小。其导带偏移量比InGaAsP大很多，具有很强的电子限制能力，这将大大提高器件的温度稳定性。

    以上这些GaAs基近红外材料其工作波长从0.9μm覆盖到2.0μm以远，因而可以开拓适应光通讯波段窗口(1.2μm－1.7μm)工作的光电子集成功能器件。近年来，欧、美、日等发达国家在GaAs基长波长材料研究方面投入大量人力物力。在InAs量子点、GaInNAs量子阱材料和器件方面不断取得进展。

    二、在研究项目组织方式上进行了改革创新，成立联合课题组

    在国内，中科院半导体研究所充分意识到这方面的研究工作不仅具有重要的学术价值，更有广泛的市场应用前景，为使我们国家在这一领域掌握独立知识产权，在科学研究和技术开发的激烈的国际竞争中立于不败之地，自上世纪90年代末期开始在这方面开始了一系列研究工作。

    为改变以往科研工作周期长效率低的问题，在研究项目组织方式上进行了改革创新，成立了由牛智川研究员领导的联合课题组，为了真正做到资源优势互补，课题组成员由半导体超晶格国家重点实验室和国家光电子工艺中心分子束外延组构成，充分利用半导体研究所材料生长、物理测试、器件工艺等综合优势，做到课题成员(包括研究生，博士后等)明确承担课题任务的一部分。

    课题组还根据实验研究进展状况，及时召开各环节工作进展和问题交流会，大家献计献策，发现问题及时解决，调动主动参与的积极性。为了提高效率，增强责任心，课题组推出了经费合作模式，并制定了即时奖励制度，改变了以往年终一次性奖励，形成了全组齐心攻关的新局面，为研究工作不断取得进展打下了良好的基础。

    经过刻苦努力，课题组在GaAs基近红外波段半导体光电子材料生长和激光器研究项目不断获得重要突破。在2000年之前的初始阶段，首先掌握了InAs量子点的分子束外延生长新技术，并开发了工作波长0.9－1.1微米激光器。第二阶段至2002年，成功获得1.3微米量子点生长技术，并突破性提高长波长量子点均匀性，室温发光效率大幅度提高，研究结果创国际纪录而受到国际关注。第三阶段在最近的两年里，成功突破了长波长高密度量子点的生长难题，制备出GaAs基InAs自组织量子点边发射激光器，激射波长1.33微米，实现室温连续工作。这是迄今为止国内首次成功制备GaAs基长波长激光器。是GaAs基近红外材料在激光器、探测器等器件中得到推广应用的最重要进展。其中关键性突破在于他们掌握了长波长高密度量子点的生长这一核心技术，同时还开发和优化了新型GaAs基长波长激光器新工艺。

    目前课题组除了正在进一步全面充分优化1.3微米量子点激光器性能，以期达到>实用化目标外，还在GaInNAs、GaInAsNSb等多种新型GaAs基近红外波段量子阱材料的生长和激光器研制方面不断获得新进展。其中大In组分GaInAs量子阱材料室温发光波长达到创国际记录的1.25微米。自主开发了新型气态源炉瞬态控制专利技术，成功生长了室温1.31－1.42微米的GaInNAs量子阱材料。而在开拓Sb化物GaInAsSb/GaAs量子阱材料研究中，建立GaAsSb/InGaAs量子阱发光机制理论模型，实现1.31微米室温发光，有望拓展至1.55微米波段。

    以上科研成果是我国在国际竞争日益激烈的光通讯用新一代GaAs基长波长光电子材料和器件研究领域的新突破，有望在不远的时间里进一步开发成功面向实用化的光电子器件。