半導(dǎo)體材料體系的迭代更新一直緊密關(guān)聯(lián)著高新技術(shù)的發(fā)展,。第一代半導(dǎo)體材料主要為硅（Si）與鍺（Ge）,，第二代半導(dǎo)體材料主要為砷化鎵（GaAs）與磷化銦（InP）,，第三代半導(dǎo)體材料主要為碳化硅（SiC）與氮化鎵（GaN）。隨著前三代半導(dǎo)體材料及由其制備的典型器件相繼得到廣泛應(yīng)用,，微電子、通信,、量子信息,、人工智能,、碳中和等高新技術(shù)獲得了巨大的發(fā)展驅(qū)動力，并實現(xiàn)變革性突破,；與此同時,，高新技術(shù)的快速發(fā)展也對半導(dǎo)體器件的性能和功耗等提出了更高的要求，促進著半導(dǎo)體器件的迭代更新,。因此,，如何發(fā)展實現(xiàn)兼具高性能、低功耗,、低成本的第四代半導(dǎo)體材料器件技術(shù),，已成為國際前沿技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點和重點。

　　第四代半導(dǎo)體材料器件技術(shù)的潛在目標(biāo)材料體系主要包括：窄帶隙的銻化鎵（GaSb）與砷化銦（InAs）,、超寬帶隙的氧化鎵（Ga2O3）與氮化鋁（AlN）,、各種低維碳基與二維材料。其中,，銻化物半導(dǎo)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(chǔ)組成的二元,、三元、四元及五元化合物材料,，具有紅外發(fā)光,、能帶可調(diào)的物理特性，是天然晶格匹配的材料體系,，與傳統(tǒng)的激光與探測材料相比,，更是具有晶格匹配性好、均勻性好,、單片基片尺寸大,、半導(dǎo)體制備工藝兼容性高等獨特優(yōu)勢，發(fā)展?jié)摿薮?，在成像,、遙感、傳感,、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(rèn)的新一代紅外中長波段激光、探測,、半導(dǎo)體光電集成芯片的首選材料體系,，為各種新型功能芯片器件的研究提供了極大的發(fā)展空間。

　　目前，基于InGaAsSb/AlGaAsSb材料的銻化物Ⅰ型量子阱結(jié)構(gòu)已能實現(xiàn)2~3微米半導(dǎo)體激光器的室溫連續(xù)瓦級功率輸出,，基于GaInSb/AlSb材料的銻化物Ⅱ型帶間級聯(lián)結(jié)構(gòu)已能實現(xiàn)3~4微米半導(dǎo)體激光器的室溫連續(xù)高功率輸出,，其波長在低溫下可延伸拓展至10微米，基于InAs/GaSb材料的二類超晶格結(jié)構(gòu)的探測器更是實現(xiàn)了近紅外到數(shù)十微米甚長波的整個紅外區(qū)域的完整覆蓋,。此外,，銻化物半導(dǎo)體材料具有小的電子與空穴質(zhì)量，室溫載流子遷移率遠(yuǎn)超前三代半導(dǎo)體材料體系,，在實現(xiàn)超低功耗,、超高速的微電子集成電路器件方面具有無可比擬的優(yōu)勢，而其良好的熱電性能,，則使得各類含銻元素的晶體材料在熱電制冷器件研究中展現(xiàn)出不可替代的應(yīng)用前景,。

　　在國家自然科學(xué)基金重大項目及重點項目、國家重點研發(fā)計劃項目等的長期支持下,，中科院半導(dǎo)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(diào)控研究，突破了復(fù)雜低維結(jié)構(gòu)大尺寸外延生長的技術(shù)難題,，發(fā)展出多功能,、多系列銻化物光電子器件的制備技術(shù)。研究團隊從經(jīng)典半導(dǎo)體能帶理論出發(fā),，創(chuàng)新提出了銻化物數(shù)字合金短周期超晶格勢壘結(jié)構(gòu),，發(fā)展出分子束外延技術(shù)并實現(xiàn)銻化物低維材料原子級高精度可控高重復(fù)性外延生長，攻克了銻化物多元復(fù)雜化合物系列激光器的制備工藝難題,，成功研制了多款高性能銻化物紅外半導(dǎo)體激光器,，其波長能夠覆蓋2~4微米波段，技術(shù)水平處于國際一流梯隊,。

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　　短周期超晶格勢壘銻化物

　　應(yīng)變量子阱高功率激光器

　　作為大氣窗口的重要波段之一,，2~4微米紅外波段不僅具有光傳輸優(yōu)勢，而且包含眾多的氣體分子特征吸收峰,，具有高靈敏光吸收特性,，而據(jù)此衍生出的制導(dǎo)、激光雷達,、醫(yī)學(xué)儀器,、激光加工、環(huán)境監(jiān)測等多種光電系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展更離不開半導(dǎo)體紅外激光器等核心器件的支撐,。進入21世紀(jì)以來,，銻化物分子束外延材料技術(shù)獲得一系列重要突破，并迅速引發(fā)銻化物光電器件的研究熱潮,，銻化物半導(dǎo)體激光器技術(shù)日益呈現(xiàn)出重大的應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景,。

　　傳統(tǒng)銻化物結(jié)構(gòu)有源區(qū)價帶帶階會隨著銦組分的增加而逐漸降低,，進而導(dǎo)致其在長波長處出現(xiàn)嚴(yán)重的載流子泄露以及發(fā)光效率下降,。為解決這一難題,，研究團隊創(chuàng)新提出了AlSb/AlAs/AlSb/GaSb短周期超晶格數(shù)字合金勢壘與漸變層新型量子阱結(jié)構(gòu)：通過在量子阱兩端增加二元材料短周期超晶格勢壘，利用超晶格薄層材料形成的微帶勢壘實現(xiàn)對空穴載流子的有效限制,，成功解決了四元合金AlGaAsSb體結(jié)構(gòu)量子阱材料的組分精確控制,、有源區(qū)價帶空穴限制不足的難題，提高了2~3微米波段的激光發(fā)光效率,，同時采用二元超晶格材料構(gòu)建了與四元合金材料相同的有效折射率,，構(gòu)建形成2微米波段大功率高效率數(shù)字合金量子阱激光器結(jié)構(gòu)，其最大光電轉(zhuǎn)換效率達到27.5%,，插頭效率超過15%,，激光器單管功率提高至1.62瓦，巴條（Bar）功率超過16瓦,，在相關(guān)指標(biāo)上實現(xiàn)了對銻化物大功率激光器技術(shù)封鎖的突破,。在此基礎(chǔ)上，研究團隊通過不斷優(yōu)化設(shè)計,，在2021年實現(xiàn)2.043瓦的單管室溫連續(xù)輸出功率,，這也是目前該指標(biāo)的國際最高記錄。

　　在銻化物長波長激光器方面,，2015年研究團隊通過在有源區(qū)中引入高銦組分和AlGaInAsSb五元合金勢壘,，以犧牲導(dǎo)帶帶階的代價提高價帶帶階，將銻化物Ⅰ類量子阱光致發(fā)光的波長拓展到3.83微米,，同年實現(xiàn)了2.4微米激光器的室溫連續(xù)激射,。在隨后的幾年中，研究團隊實現(xiàn)了2~3微米激光器的室溫連續(xù)激射,，其中2.6微米激光器的室溫連續(xù)激射功率為325毫瓦,，2.75微米激光器的室溫連續(xù)輸出功率為60毫瓦，這也是國內(nèi)首次基于銻化物Ⅰ型量子阱結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的2~3微米半導(dǎo)體激光器的完整覆蓋,。

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　　銻化物帶間級聯(lián)激光器和單模激光器

　　帶間級聯(lián)激光器是一種介于傳統(tǒng)雙極型帶間躍遷激光器與單極型量子級聯(lián)激光器之間的混合型激光器,，既具有帶間躍遷無需聲子參與的優(yōu)點，又可通過載流子的隧穿躍遷實現(xiàn)單個電子發(fā)生多次躍遷并產(chǎn)生多個光子,，具有很高的量子效率,。帶間級聯(lián)激光器通過帶間躍遷來發(fā)射光子，能夠較好地避免由量子級聯(lián)激光器中子帶間光聲子輻射而引發(fā)的非輻射復(fù)合,，具有更低的閾值電流密度和更高的特征溫度,。此外，由于其有源區(qū)的激射波長主要由量子阱的寬度決定,，因此在外延層的設(shè)計中可以采用成熟的材料結(jié)構(gòu),，通過調(diào)整阱寬來獲得更大范圍的激光波長,，尤其在3~4微米波段與Ⅰ型量子阱結(jié)構(gòu)相比具有絕對優(yōu)勢。

　　研究團隊基于維加德定律（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(shù),、禁帶寬度、價帶帶階差,、折射率等關(guān)鍵參數(shù)進行了計算,，并在此基礎(chǔ)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(jié)構(gòu),、導(dǎo)帶與價帶帶階差,、能級位置與發(fā)光波長、波函數(shù)分布,，并計算了其在電壓下量子阱的準(zhǔn)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(lián)激光器的結(jié)構(gòu)和工作原理,，優(yōu)化了帶間級聯(lián)激光器采用的“W”型量子阱的襯底溫度，并通過調(diào)整Ⅴ/Ⅲ比,，解決了“W”型量子阱中InGaSb空穴阱的As并入問題,；通過調(diào)整InAs電子阱的厚度來調(diào)節(jié)“W”型量子阱的發(fā)光波長，驗證了其可覆蓋整個中紅外波段,；設(shè)計和模擬了各個功能區(qū)之間的過渡層,，并對全器件結(jié)構(gòu)的晶圓片進行了表征；此外,，在優(yōu)化刻蝕條件的基礎(chǔ)上,，確定了半導(dǎo)體工藝制程，實現(xiàn)了晶圓到實際器件的制備,，并設(shè)計了中紅外帶間級聯(lián)激光器的腔面膜,，最終實現(xiàn)帶間級聯(lián)激光器的室溫連續(xù)工作，其工作波長為3.5微米,，閾值電流密度為267安培/平方厘米（A/cm2）,，鍍膜后輸出功率為55毫瓦。該項成果填補了國內(nèi)在中紅外波段銻化物帶間級聯(lián)結(jié)構(gòu)激光器方面的技術(shù)空白,。

　　在氣體檢測,、量子通信等領(lǐng)域中，高性能的銻化物激光種子源都具有重要的應(yīng)用價值,。為此,，研究團隊深入研究了銻化物側(cè)耦合分布反饋半導(dǎo)體激光器：2016年通過全息曝光技術(shù)，實現(xiàn)了銻化物單模激光器的室溫連續(xù)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(fā)，實現(xiàn)了邊模抑制比為35分貝的單模激光,；2019年通過優(yōu)化金屬光柵結(jié)構(gòu)設(shè)計和制備工藝,，實現(xiàn)了室溫連續(xù)輸出功率為40毫瓦、邊模抑制比為53分貝的單模激光,，相關(guān)成果發(fā)表在《應(yīng)用物理快報》（Applied Physics Letters）,，之后國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)雜志《化合物半導(dǎo)體》（Compound Semiconductor）給出了“該類型激光器為天基星載雷達系統(tǒng)和氣體檢測系統(tǒng)提供了有競爭力的光源器件”的評價,；2021年,，研究團隊通過進一步優(yōu)化三階側(cè)壁光柵分布反饋結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了室溫連續(xù)輸出功率為60毫瓦的單模激光,，并將最大邊模抑制比提高至57分貝,，這標(biāo)志著研究團隊在銻化物單模激光器的研究工作已經(jīng)處于國際領(lǐng)先水平。

　　如今,，銻化物材料在2~4微米波段的中紅外激光愈發(fā)表現(xiàn)出不可替代的關(guān)鍵性作用,，其二類超晶格材料在近紅外到遠(yuǎn)紅外焦平面探測器的研發(fā)過程中也實現(xiàn)了跨越式發(fā)展和典型應(yīng)用。圍繞紅外激光和探測技術(shù)發(fā)展而來的第四代銻化物半導(dǎo)體器件也已展現(xiàn)出向高性能,、低功耗,、低成本發(fā)展的巨大潛力，而在關(guān)鍵光電器件技術(shù)開發(fā)方面的不可替代性更是其能夠成為國際前沿技術(shù)研究焦點的重要原因,。以中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所為代表的國內(nèi)科研單位通過多年的技術(shù)積累和攻關(guān),，逐漸形成了從銻化物材料的概念、理論研究,、材料生長優(yōu)化,、器件設(shè)計，到制備工藝開發(fā),、集成光電芯片制造及封裝測試的全產(chǎn)業(yè),、全國產(chǎn)化鏈條。在國家重大需求牽引,、科技創(chuàng)新驅(qū)動,、國際一流技術(shù)水平支撐的合力帶動下，我國第四代銻化物半導(dǎo)體技術(shù)已實現(xiàn)從原始概念到器件的制備,，并正在漸次實現(xiàn)由實驗室研究向批量化生產(chǎn)及工業(yè)化廣泛應(yīng)用的階段性轉(zhuǎn)換,。