基于InP基异变缓冲层的3微米波长新结构激光器研究

Mid-infrared lasers include luxuriant unknown physical treasures to be unearthed and have many important applications, including environment protection, human health, social security and so on. Many significant improvements have been obtained for mid-infrared GaSb-based antimony-contained lasers and InP-based quantum cascade lasers; however for the emission wavelength around 3 μm these two kinds of lasers both encounter some drawbacks and limits. This project proposes a new way to demonstrate antimony-free quantum well lasers around 3 μm on InP-based metamorphic buffers. In our former study the photoluminescence wavelength of InP-based metamorphic quantum wells at 3.05 μm has been achieved, which proves the feasibility of this project. The research of this project will include material physics analysis and buffer structure design, epitaxy optimization, as well as the laser structure design and study. The improvement of metamorphic buffer, which plays a crucial role of laser study, will be focused on. The behavior and mechanism of atomic migration, lattice relaxation, as well as the production, suppression and annihilation of dislocations will be studied in detail. The introduction of digital alloy novel dislocation filter structure, migration enhanced epitaxy scheme and the residual strain control is expected to suppress the threading dislocation, and therefore improve the material quality of metamorphic template on InP substrate. On the basis of InP-based optimized metamorphic template, antimony-free quantum well prototype lasers around 3 μm will be further studied.

中红外波段激光器不仅具有丰富的有待认知的物理内涵而且在环境保护、人口健康和国家社会安全方面有重要的应用。GaSb基锑化物激光器和InP基量子级联激光器已取得重大进展，但其在中红外短波端3微米波长附近均受到一些限制。本项目提出基于InP基异变缓冲层特殊复合衬底研究不含锑3 微米波长新结构量子阱激光器。在前期预研工作中已观测到InP基异变缓冲层上的量子阱结构室温光致发光波长达3.05微米，证明了此项目思路的可行性。本项目研究内容包括材料物理分析与缓冲层结构设计、材料生长优化、激光器结构设计与器件研究。针对起关键核心作用的异变缓冲层材料进行重点研究，采用数字合金位错隔离层创新结构、探索迁移增强外延生长初始层并结合剩余应力调控，深入开展原子迁移、晶格弛豫和穿透位错产生、抑制、湮灭的行为及机理研究，进一步基于优化的InP基异变缓冲层开展无锑3微米波长原型量子阱激光器研究。

中红外波段激光器不仅在窄禁带半导体激光物理具有丰富的有待认知的物理内涵，而且在环保、医疗以及军事方面都具有许多重要的应用。GaSb基锑化物激光器和InP基量子级联激光器已取得重大进展，但其在中红外短波端3微米波长附近均受到一些限制。. 本项目基于InP基异变缓冲层虚拟复合衬底研究不含锑3微米波长新结构量子阱激光器。项目研究内容包括材料物理分析与缓冲层结构设计、材料生长优化、激光器结构设计与器件研究。针对起关键核心作用的异变缓冲层材料进行了重点研究，发展了InP基异变缓冲层新结构和新工艺，优化了缓冲层递变模式、生长温度等条件，并对失配材料弛豫机理进行了分析。进一步基于优化的InP基异变缓冲层开展了原型量子阱激光器研究，研究了量子阱有源区、波导层和包覆层结构影响载流子限制和光学限制的机理，通过综合考虑与权衡量子阱应变补偿、分别限制波导、以及多层结构的生长参数优化了激光器整体结构和生长条件。通过结合应变补偿量子阱和分别限制异质结构研制实现了激射波长2.7 微米的激光器；进一步通过增加量子阱数目提高增益，并改善生长条件提高材料质量，所研制的器件激射波长达2.9微米。同时，还拓展研究了基于GaAs基异变虚拟衬底的InAs量子阱结构，研究了在GaAs和InP衬底上异变材料的不同缺陷行为机制，在GaAs衬底上实现了2.7微米波长的室温光致发光。. 关于激光器器件的研究结果发表后获得了国际上的关注，2次获得半导体行业杂志Semiconductor Today的专题报道，报道充分肯定了我们实现国际上InP基无锑量子阱激光器最长激射波长的工作，认为我们的工作推动了此类激光器的发展。我们还受邀以“InP-based antimony-free MQW lasers in 2-3 µm band”为题撰写了英文专著篇章一篇。项目执行期间发表SCI论文28篇，申请国家发明专利14项，获授权发明专利8项。以“2-3微米波段InP基无锑量子阱激光器材料、器件及应用”为题申请了2015年度上海市技术发明奖，已列入初评获奖公示名单。