【资讯】精准调控二类超晶格异质界面应力，为带间级联激光器赋新能

2026-01-09 18:30:46

     基于III-V族半导体的二类超晶格（Type-II superlattices）是通过能带工程设计的一类人工微结构半导体材料，由InAs、GaSb、AlSb及其多元合金周期性交替生长形成超晶格结构，在红外探测、工业检测、气体传感、健康医疗等军用、民用领域具有重要应用。

但是，外延生长高质量的二类超晶格异质界面仍面临很大的挑战。通常，中红外带间级联激光器中的二类超晶格异质界面高达上千个，界面上微小的晶格畸变应力，在多重累积后会引起薄膜的应变弛豫形成位错，进而影响器件的光电性能。目前，生长中断法（利用V族元素充分浸润）和迁移增强外延法在一定程度上可以解决异质界面应力平衡的问题，但是显著增加了外延生长的复杂程度和时间（时长增加30%以上），降低了生产效率。

  为了保证二类超晶格异质界面的质量和可重复性，南京大学芦红教授团队通过对分子束外延（MBE）生长异质界面应力的精准调控，获得了晶格完全匹配的二类超晶格材料。在InAs/AlSb二类超晶格的异质界面插入AlAs层平衡界面应力，实现了ICL器件全结构与InAs衬底的晶格完全匹配，界面上AlAs插层的调控效果明显。外延生长的ICL器件全结构表面呈现原子级平整的台阶，缺陷密度低至102/cm2量级，二类超晶格和多量子阱结构的异质界面清晰明锐。

基于高质量的二类超晶格外延生长，团队制备了一系列InAs基ICL器件并获得了优异的性能，包括在300 K下实现了InAs基ICL的最短激射波长——4.02 μm，阈值电流密度232 A/cm2，为已知报道数据中最低；在长波（8.22 μm）InAs基ICL实现275 K的最高工作温度（图1）。

图1（a）4 μm ICL的光谱；（b）8 μm ICL的光谱； InAs基ICL的（c）最高工作温度与激射波长关系；（d）阈值电流密度（@ 300 K或最高工作温度）与激射波长关系

团队和ICL发明人Oklahoma大学杨瑞青教授以及中国科学院半导体研究所郑婉华院士团队林羽喆博士紧密合作，近几年在InAs基ICL的研究领域持续取得进展（[J. Cryst. Growth, 586, 126618, 2022.], [Appl. Phys. Lett., 125, 121103, 2024.], [Opt. Express, 32, 46439, 2024.], [Appl. Phys. Lett., 126, 191104, 2025.]），特别是将InAs基ICL的阈值电流密度不断降低，展示了中红外波段ICL在低功耗方面的优势和潜力。

在后续工作中，团队将继续聚焦前沿半导体激光器件，通过创新优化器件结构和精准控制分子束外延技术参数，实现带间级联激光器等光电子器件的性能优化和突破，并拓展基于红外激光技术的应用。

参考文献： 中国光学期刊网

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