劉義鶴 江洪

1 引言

近年來，半導(dǎo)體激光器憑借其體積小、效率高、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，取得了快速發(fā)展，已經(jīng)在工業(yè)、醫(yī)療美容、國防軍事等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著各種高質(zhì)量半導(dǎo)體材料及各種外形制備工藝取得突破，半導(dǎo)體激光器在材料和結(jié)構(gòu)上的研究不斷擴(kuò)展。由于量子限制效應(yīng)帶來對(duì)載流子更強(qiáng)的約束，半導(dǎo)體激光器研究逐步從二維的量子阱結(jié)構(gòu)向一維納米線、零維的量子點(diǎn)激光器擴(kuò)展。本文從二維、一維和零維半導(dǎo)體材料的角度出發(fā)，概括了半導(dǎo)體激光器的最新進(jìn)展。

2 垂直腔面反射半導(dǎo)體激光器

在二維量子阱結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器中，垂直腔面反射半導(dǎo)體激光器（VCSEL）是其最前沿的研究方向。美國加利福尼亞大學(xué)Charles A.Forman等人首次實(shí)現(xiàn)了基于非極性氮化鎵（GaN）VCSEL的連續(xù)波操作。由于底部分布布拉格反射介質(zhì)的熱絕緣性質(zhì)，造成傳統(tǒng)VCSEL器件無法在連續(xù)波下操作。作者基于COMSOL熱力學(xué)模型，將器件的熱通路限制到了圍繞底部分布布拉格發(fā)射鏡（DBR）到達(dá)基座的p側(cè)金屬接觸處。同時(shí)，金—金熱壓縮倒裝芯片鍵合在p側(cè)金屬中產(chǎn)生裂縫和空隙進(jìn)一步限制了熱通路。他們最新的VCSEL器件中將腔長(zhǎng)增加到23λ（激光器發(fā)射光波長(zhǎng)），并利用金—銦固液擴(kuò)散鍵合創(chuàng)造了限制更強(qiáng)的熱通路，進(jìn)而讓器件熱性能得到大幅改善。器件連續(xù)激光輸出達(dá)到20 min，連續(xù)波和脈沖工作模式下6 μm孔徑的VCSEL峰值輸出功率風(fēng)別達(dá)到150μW和700μW。在406 nm、412 nm和419 nm處均觀測(cè)到激光發(fā)射。

瑞士量子電子研究所的Nürnberg J等人制備出一種模式鎖定集成垂直腔面發(fā)射激光器（MIXSEL），通過優(yōu)化群延遲色散，能夠產(chǎn)生創(chuàng)紀(jì)錄的139fs的超快脈沖激光。激光發(fā)射波長(zhǎng)在1 034 nm，帶寬13 nm，工作頻率2.74 GHz。激光器可用于乙炔氣體的雙梳頻譜儀中。激光器從底部到頂部依次為：24對(duì)砷化鋁（AlAs）/砷化鎵（GaAs）分布布拉格反射鏡；嵌入在應(yīng)變補(bǔ)償AlAs0.86P0.14（鋁砷磷）層中的單個(gè)銦鎵砷（In0.23Ga0.77As）量子阱（QW）作為吸收器；9.5對(duì)Al0.15Ga0.85As/ AlAs DBR，以反射殘留的808 nm泵浦光并防止吸收器被漂白；有源區(qū)，由嵌入泵吸收GaAs阻擋層的11個(gè)In0.2Ga0.8As量子阱組成，厚度為9nm；增益QW的壓縮應(yīng)變由大帶隙拉伸應(yīng)變AlAs0.86P0.14層平衡，這也提供了優(yōu)化的載流子限制。最后，使用離子束濺射（IBS）沉積數(shù)值優(yōu)化的全電介質(zhì)抗反射（AR）頂部。器件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

Xu W Z等人通過將雙側(cè)介質(zhì)分布布拉格反射器之間的腔長(zhǎng)度減小到6λ，觀察到GaN基VCSEL中的超低激光閾值為413μJ/cm2，這是目前已知的氮化物光泵浦VCSEL中的最低值。他們的激光器自發(fā)發(fā)射系數(shù)（β）為0.1，極化程度為91%。筆者分析了短腔對(duì)自發(fā)輻射因子，增益系數(shù)增強(qiáng)和吸收減少間的相互關(guān)系，以及耦合量子阱對(duì)限制因子的影響。這項(xiàng)研究對(duì)未來精確制造氮化物VCSEL的結(jié)構(gòu)具有重要意義。

美國亞利桑那大學(xué)A Laurain等人對(duì)VCSEL中腔體幾何形狀對(duì)激光器脈沖持續(xù)時(shí)間和峰值功率的影響進(jìn)行了綜合研究，包括V形腔、多折疊腔和碰撞脈沖鎖模方案中的環(huán)形腔等。他們還提出了用于超短脈沖演示的增益和SESAM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略，對(duì)于超短脈沖VCSEL激光器的設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義。

芬蘭坦佩雷（Tampere）技術(shù)大學(xué)的Emmi Kantola等人利用光泵浦VCSEL制備出一種可應(yīng)用于治療皮膚病變的高功率黃色激光系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在約590nm處提供高達(dá)8W的輸出功率，并包括一個(gè)手持式掃描儀，可輕松將光線傳送到皮膚上。掃描區(qū)域可以從單個(gè)點(diǎn)（直徑1.4mm）到覆蓋1cm2面積的49個(gè)點(diǎn)變化。可在0～52 J/cm2范圍內(nèi)調(diào)節(jié)流量，具有線、方形和六邊形等掃描模式，脈沖長(zhǎng)度在10～100ms間可調(diào)。

美國加利福尼亞大學(xué)的Seung Geun Lee等人利用金屬有機(jī)氣相外延（MOCVD）首次制備出了具有隧穿結(jié)腔內(nèi)接觸的III族氮化物VCSEL。他們?cè)谠患せ畈⒂肏F進(jìn)行表面處理過的重p型摻雜GaN上生長(zhǎng)出重n型摻雜的GaN以制備隧穿結(jié)。他們的隧穿結(jié)腔內(nèi)接觸VCSEL發(fā)光波長(zhǎng)408nm，閾值電流約15 mA（10kA/cm2），閾值電壓7.8V，最大輸出功率319μW，微分效率0.28%。

在連續(xù)波長(zhǎng)的VCSEL輸出功率方面，德國應(yīng)用固體物理弗朗霍夫研究所的Holl P等人在2016年制備出了輸出波長(zhǎng)2μm具有最高輸出功率的VCSEL。他們通過優(yōu)化泵浦光斑直徑，并用金剛石作為熱沉材料，將熱沉片溫度設(shè)置為20 ℃時(shí)，激光器輸出功率可以達(dá)到17 W。同年，他們的2.5μm連續(xù)激光發(fā)射的GaSb基VCSEL在20 ℃時(shí)輸出功率也達(dá)到了7 W。這款激光器使用1 470 nm光代替980 nm作為泵浦源，從而減少了內(nèi)量子效率丟失，并增加了泵浦光的吸收效率。2017年他們則將2.8 μm激光器在20 ℃下的輸出功率推上0.85 W。

美國新墨西哥大學(xué)的ZHOU Yang等人則提出了一種亞波長(zhǎng)光柵反射鏡和光學(xué)增益結(jié)合的主動(dòng)鏡面結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠直接在熱沉片上鍵合從而有效去除熱量。他們指出，通過光波傳播和熱流分析，這種結(jié)構(gòu)有望將VCSEL的功率放大到數(shù)千瓦級(jí)別。

金屬鹵化物鈣鈦礦也是一種極具前景的激光材料，可用于實(shí)現(xiàn)單片集成激光源，實(shí)現(xiàn)硅光子集成電路（PIC）的關(guān)鍵部件。鈣鈦礦可以從溶液中沉積，只需要低溫處理，與通過III—V半導(dǎo)體的昂貴且低效的混合集成實(shí)現(xiàn)的最先進(jìn)的激光器相比，可以顯著降低成本并實(shí)現(xiàn)新的單片機(jī)接口控制器PIC架構(gòu)。然而，到目前為止，由于鈣鈦礦的化學(xué)敏感性，沒有建立基于光學(xué)光刻的微制造工藝。德國AMO公司的Piotr J.Cegielski等人提出了通過自上而下的工藝將第一甲基銨碘化鉛鈣鈦礦微盤激光器單片集成到氮化硅PIC中。對(duì)于單片集成激光器，激光器在室溫下顯示出創(chuàng)紀(jì)錄的低激光閾值4.7 μJ/cm2，這是一種互補(bǔ)的金屬氧化物半導(dǎo)體兼容結(jié)構(gòu)，可以集成在后端工藝中。該激光器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 半導(dǎo)體納米線激光器

半導(dǎo)體納米線（NW）激光器因其對(duì)納米級(jí)光子源的出色前景而吸引了大量的研究工作。然而，NW激光器目前的方向性較差，閾值能量高，嚴(yán)重制約了它們作為片上光源的前景。為了克服這些問題，研究人員已經(jīng)取得一些進(jìn)展。

澳大利亞國家大學(xué)Wei-Zong Xu等人制出了一種新型的垂直發(fā)射磷化銦（InP）納米線激光器，表現(xiàn)出了高發(fā)射方向性，并降低了工作閾值。激光器的結(jié)構(gòu)結(jié)合了集成在貓眼（CE）天線中的InP NW。由于天線的不對(duì)稱性使其具有強(qiáng)的聚焦能力和高Q因子（放大倍率），讓設(shè)計(jì)出的InP CE NW激光器的偏振度更高、發(fā)射角更窄，并提高了內(nèi)量子效率，降低了激光閾值。這種NW激光天線系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)高性能納米級(jí)激光器提供了非常有前景的方法，在當(dāng)前和未來的集成納米光子學(xué)系統(tǒng)中用作高度局部化光源的良好前景，用于高級(jí)傳感，高分辨率成像應(yīng)用和量子通信。InP NW激光器的出光分布、頻譜及能流—強(qiáng)度曲線如圖3所示。

KS Daskalakis等人研究了在GaN微米線中基于自構(gòu)限位腔體微單元散射效應(yīng)的隨機(jī)激光發(fā)射現(xiàn)象。隨機(jī)激光的光譜和空間分辨率表明所發(fā)射的隨機(jī)激光模式產(chǎn)生于微米線的不同區(qū)域。其溫度依賴性測(cè)試表現(xiàn)出52K的優(yōu)秀特征溫度。微米線中利用微坑的散射效應(yīng)提供光學(xué)反饋回路，這種散射反饋機(jī)制反饋機(jī)制可以避免制造GaN的人工腔結(jié)構(gòu)的巨大困難，將來有望實(shí)現(xiàn)低成本GaN基紫外激光二極管。

Mahmoud Behzadirad等人提出了高度有序GaN納米陣列的自上而下、兩部制備方法。他們指出，利用干涉光刻技術(shù)，可以精確控制參數(shù)，以獲得具有優(yōu)異質(zhì)量和所需縱橫比的高度有序的納米線陣列。他們制備出面積大于105μm2的GaN納米陣列，寬高比大于50，納米線半徑最小達(dá)到17nm，原子壁粗糙程度小于1nm。時(shí)域有限差分（FDTD）建模分析表明，HE11是納米線半徑小于100nm的主要傳播模式。利用改納米線陣列制備的激光器具有1 139～2 443的高Q因子，對(duì)應(yīng)線寬為0.32～0.15nm（最小閾值為3.31MW/cm2）。

美國密歇根大學(xué)的Xiaoqin Wu等人研究了硫化鎘（CdS）納米線激光，它自發(fā)地內(nèi)化到單個(gè)細(xì)胞中，作為獨(dú)立的細(xì)胞內(nèi)探針（見圖4）。通過納米焦耳光脈沖泵浦，可以在細(xì)胞內(nèi)觀察到綠色激光發(fā)射（500～520nm），峰寬線寬窄至0.5nm。由于亞微米直徑（約200nm），NW在外部具有相當(dāng)大的消逝場(chǎng)，有助于靈敏地檢測(cè)細(xì)胞環(huán)境變化。通過監(jiān)測(cè)響應(yīng)于細(xì)胞內(nèi)折射率變化的激光峰值波長(zhǎng)偏移，NW激光探針顯示出每RIU（折射率單位）55nm的靈敏度和大約98的品質(zhì)因數(shù)。

4 半導(dǎo)體量子點(diǎn)激光器

東京技術(shù)研究所的Daisuke Inoue等人首次實(shí)現(xiàn)了在（001）面硅上生長(zhǎng)的InAs/GaAs量子點(diǎn)激光器的直接調(diào)制。他們的InAs/GaAs量子點(diǎn)激光器發(fā)射波長(zhǎng)為1.3μm。激光器有源區(qū)為5層高質(zhì)量量子點(diǎn)層，并具有p型調(diào)制摻雜的GaAs勢(shì)壘層，空穴濃度為5×1017cm-3，以抑制增益飽和（見圖5）。

在3×580m2法布里—珀羅激光器上的小信號(hào)測(cè)量顯示，在116 mA的偏置電流下，3dB帶寬為6.5 GHz。通過直接探測(cè)芯片實(shí)現(xiàn)了12.5 Gbit/s的非歸零信號(hào)調(diào)制。在室溫下觀察到睜眼，消光比為3.3dB。比特誤碼率（BER）曲線顯示沒有錯(cuò)誤底限，BER達(dá)到1×10-13。在Si上使用QD激光器進(jìn)行的12km單模光纖傳輸實(shí)驗(yàn)表明，在5Gbit/s時(shí)，功率損失為1 dB。這些結(jié)果表明，在Si上外延生長(zhǎng)的QD激光器可用作光通信系統(tǒng)的低成本光源。

瑞士量子電子學(xué)研究所的Cesare G.E.Alfieri等人實(shí)現(xiàn)了一種基于量子點(diǎn)光泵浦VCSEL的最短脈沖和最高脈沖峰值功率（圖6）。他們的激光器脈沖寬度達(dá)到216fs，平均輸出功率為269mW，脈沖重復(fù)頻率為2.77GHz，峰值功率為396W在1.67GHz的較低脈沖重復(fù)率下，研究者實(shí)現(xiàn)193fs脈沖，平均輸出功率為112mW。他們通過飽和恢復(fù)的比較分析指出，量子點(diǎn)VCSEL相比量子阱VCSEL具有更長(zhǎng)的載流子壽命，因此能夠獲得更高的光-光泵浦效率。

美國加利福尼亞大學(xué)的Daehwan Jung等人制備出單片集成在Si襯底上的1.3μm量子點(diǎn)激光器，實(shí)現(xiàn)了6.2mA的閾值電流，185mW的輸出功率和超過100萬h的優(yōu)異的器件壽命。

北京大學(xué)的Kexiu Rong等人利用位子不確定度為21nm的暗場(chǎng)光學(xué)成像技術(shù)結(jié)合高分辨率電子束光刻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無缺陷的膠體量子點(diǎn)激光器和銀納米線的精確對(duì)準(zhǔn)配置在芯片上，制備出片上量子點(diǎn)激光器。他們指出，由于銀納米線對(duì)亞波長(zhǎng)場(chǎng)的限制作用，能使這種激光器輸出面試面積僅為0.008λ2的深亞波長(zhǎng)相干源。

5 結(jié)語

半導(dǎo)體激光器和其他類型的激光器一樣，其研究發(fā)展朝著信息型和功率型2個(gè)方向推進(jìn)。超快、高功率半導(dǎo)體激光器也代表了光電子領(lǐng)域的最高水平，其應(yīng)用范圍已經(jīng)延伸到了生活的方方面面。半導(dǎo)體激光器關(guān)鍵技術(shù)總體來說包括5個(gè)方面：芯片外延技術(shù)、封裝技術(shù)、光學(xué)準(zhǔn)直技術(shù)、光束整形技術(shù)和激光器集成技術(shù)。半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用也表現(xiàn)出替代當(dāng)前主流激光器——光纖激光器的趨勢(shì)。在未來，隨著激光電視、激光雷達(dá)、激光醫(yī)療器材的應(yīng)用不斷深入，各種新的應(yīng)用不斷擴(kuò)展，半導(dǎo)體激光器必將展現(xiàn)出廣闊的市場(chǎng)前景，也必將更大程度造福人類社會(huì)。