半导体材料体系的迭代更新一直紧密关联着高新技术的发展。第一代半导体材料主要是硅(Si)和锗(Ge)，第二代半导体材料主要是砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)，第三代半导体材料主要是碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)。随着前三代半导体材料及其制成的典型器件的相继广泛应用，微电子、通信、量子信息、人工智能、碳中和等高新技术，获得了巨大的推动力，实现了革命性的突破；同时，高科技的快速发展也对半导体器件的性能和功耗提出了更高的要求，促进了半导体器件的迭代更新。因此，如何开发和实现高性能、低功耗、低成本的第四代半导体器件技术已成为国际前沿技术领域的研究热点和焦点。 　　

　　

　　第四代半导体材料器件技术的潜在靶材体系主要包括窄带隙的锑化镓(GaSb)和砷化铟(InAs)，超宽带隙的氧化镓(Ga2O3)和氮化铝(AlN)，以及各种低维碳基和二维材料。其中，锑化物半导体材料是以铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)等III族元素和砷(as)、锑(Sb)等V族元素为基础的二元、三元、四元、五元化合物材料。它们具有红外发射和能带可调的物理特性，是天然的晶格匹配材料体系。与传统的激光和探测材料相比，它具有晶格匹配性好、均匀性好、单衬底尺寸大、半导体制备工艺兼容性高等独特优势。它具有很大的发展潜力，在成像、遥感、传感、气体检测等许多方面都有重要的应用。同时也是国际同行公认的新一代红外中长波长激光、探测、半导体光电集成芯片的首选材料体系，为各种新型功能芯片器件的研究提供了极大的发展空间。 　　

　　

　　目前，基于InGaAsSb/AlGaAsSb材料的锑化物I型量子阱结构已经能够实现室温下2~3微米半导体激光器的连续瓦特功率输出，基于GaInSb/AlSb材料的锑化物II型带间级联结构已经能够实现室温下3~4微米半导体激光器的连续高功率输出，其波长在低温下可以扩展到10微米。基于二级超晶格结构的InAs/GaSb材料的探测器甚至实现了近红外到几十微米的超长波。此外，锑化物半导体材料电子和空穴质量小，室温载流子迁移率遥遥领先于第三代半导体材料，在实现超低功耗和超高速微电子集成电路器件方面具有无可比拟的优势。而其良好的热电性能使得各种含锑元素的晶体材料在热电制冷器件中显示出不可替代的应用前景。 　　

　　

　　在国家自然科学基金重大项目、重点项目和国家重点研发项目的长期支持下。d计划，中科院半导体所牛志川研究员团队以锑化物新材料体系与器件为重点，深入研究了锑化物低维材料的能带调控，突破了复杂低维结构大规模外延生长的技术难题，发展了多功能、多系列锑化物光电器件的制备技术。研究团队基于经典半导体能带理论，创新性地提出了锑化物数字合金的短周期超晶格势垒结构，发展了分子束外延技术，实现了锑化物低维材料的原子级高精度可控高重复性外延生长。攻克了锑化物络合物系列激光器的制造工艺难题，成功研制出一批高性能锑化物红外半导体激光器，波长可覆盖2~4微米波段，技术水平处于国际领先水平 　　

　　

　　2~4微米红外波段作为大气窗口的重要波段之一，不仅具有透光的优点，而且含有许多气体分子的特征吸收峰，具有高灵敏的光吸收特性。由此衍生的各种光电系统的可持续发展，如制导、激光雷达、医疗仪器、激光加工、环境监测等。离不开半导体红外激光器等核心器件的支持。21世纪以来，锑化物分子束外延材料技术取得了一系列重要突破，迅速引发了锑化物光电器件的研究热潮。锑化物半导体激光技术日益显示出巨大的应用价值和广阔的应用前景。 　　

　　

　　传统锑化物结构有源区的价带阶会随着铟组分的增加而逐渐降低，导致载流子泄漏严重，长波长发光效率下降。针对这一问题，研究团队创新性地提出了AlSb/AlAs/AlSb/GaSb短周期超晶格的数字合金势垒和渐变层的新型量子阱结构：通过在量子阱两端加入二元材料的短周期超晶格势垒，超晶格薄层材料形成的微带势垒可以有效限制空穴载流子。成功解决了四元合金AlGaAsSb体结构量子阱材料成分的精确控制和有源区价带空穴限制不足的问题，提高了2~3微米波段的激光发光效率。同时利用二元超晶格材料构建了与四元合金材料相同的有效折射率，构建了2微米波段高功率高效数字合金量子阱激光器结构，最大光电转换效率达到27.5%。塞效率超过15%，激光单管功率提高到1.62瓦，棒功率超过16瓦，实现了锑化物高功率激光器在相关指标上的技术封锁突破。在此基础上，研究团队通过不断的设计优化，于2021年实现了室温下每管2.043W的连续输出功率，这是目前该指标的最高国际纪录。 　　

　　

　　 　　

　　

　　在锑化物长波长激光器方面，2015年，研究团队在有源区引入了高铟组分和A 　　

lGaInAsSb五元合金势垒，以牺牲导带带阶的代价提高价带带阶，将锑化物Ⅰ类量子阱光致发光的波长拓展到3.83微米，同年实现了2.4微米激光器的室温连续激射。在随后的几年中，研究团队实现了2~3微米激光器的室温连续激射，其中2.6微米激光器的室温连续激射功率为325毫瓦，2.75微米激光器的室温连续输出功率为60毫瓦，这也是国内首次基于锑化物Ⅰ型量子阱结构实现的2~3微米半导体激光器的完整覆盖。

　　

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锑化物带间级联激光器和单模激光器

　　

带间级联激光器是一种介于传统双极型带间跃迁激光器与单极型量子级联激光器之间的混合型激光器，既具有带间跃迁无需声子参与的优点，又可通过载流子的隧穿跃迁实现单个电子发生多次跃迁并产生多个光子，具有很高的量子效率。带间级联激光器通过带间跃迁来发射光子，能够较好地避免由量子级联激光器中子带间光声子辐射而引发的非辐射复合，具有更低的阈值电流密度和更高的特征温度。此外，由于其有源区的激射波长主要由量子阱的宽度决定，因此在外延层的设计中可以采用成熟的材料结构，通过调整阱宽来获得更大范围的激光波长，尤其在3~4微米波段与Ⅰ型量子阱结构相比具有绝对优势。

　　

研究团队基于维加德定律（Vegard’s Law）以及8带kp模型，对锑化物多元化合物材料的晶格常数、禁带宽度、价带带阶差、折射率等关键参数进行了计算，并在此基础上，对AlSb/InAs/InGaSb/InAs的“W”型二类量子阱开展了深入研究：模拟了其能带结构、导带与价带带阶差、能级位置与发光波长、波函数分布，并计算了其在电压下量子阱的准费米能级分裂（QFLS）、载流子注入浓度、光增益；分析了二类量子阱带间级联激光器的结构和工作原理，优化了带间级联激光器采用的“W”型量子阱的衬底温度，并通过调整Ⅴ/Ⅲ比，解决了“W”型量子阱中InGaSb空穴阱的As并入问题；通过调整InAs电子阱的厚度来调节“W”型量子阱的发光波长，验证了其可覆盖整个中红外波段；设计和模拟了各个功能区之间的过渡层，并对全器件结构的晶圆片进行了表征；此外，在优化刻蚀条件的基础上，确定了半导体工艺制程，实现了晶圆到实际器件的制备，并设计了中红外带间级联激光器的腔面膜，最终实现带间级联激光器的室温连续工作，其工作波长为3.5微米，阈值电流密度为267安培/平方厘米（A/cm2），镀膜后输出功率为55毫瓦。该项成果填补了国内在中红外波段锑化物带间级联结构激光器方面的技术空白。

　　

在气体检测、量子通信等领域中，高性能的锑化物激光种子源都具有重要的应用价值。为此，研究团队深入研究了锑化物侧耦合分布反馈半导体激光器：2016年通过全息曝光技术，实现了锑化物单模激光器的室温连续工作，输出功率为10毫瓦，边模抑制比（SMSR）为24分贝；2018年完成锑化物的剥离（Lift-off）工艺开发，实现了边模抑制比为35分贝的单模激光；2019年通过优化金属光栅结构设计和制备工艺，实现了室温连续输出功率为40毫瓦、边模抑制比为53分贝的单模激光，相关成果发表在《应用物理快报》(Applied Physics Letters)，之后国际半导体产业杂志《化合物半导体》（Compound Semiconductor）给出了“该类型激光器为天基星载雷达系统和气体检测系统提供了有竞争力的光源器件”的评价；2021年，研究团队通过进一步优化三阶侧壁光栅分布反馈结构，实现了室温连续输出功率为60毫瓦的单模激光，并将最大边模抑制比提高至57分贝，这标志着研究团队在锑化物单模激光器的研究工作已经处于国际领先水平。

　　

　　

如今，锑化物材料在2~4微米波段的中红外激光愈发表现出不可替代的关键性作用，其二类超晶格材料在近红外到远红外焦平面探测器的研发过程中也实现了跨越式发展和典型应用。围绕红外激光和探测技术发展而来的第四代锑化物半导体器件也已展现出向高性能、低功耗、低成本发展的巨大潜力，而在关键光电器件技术开发方面的不可替代性更是其能够成为国际前沿技术研究焦点的重要原因。以中国科学院半导体研究所为代表的国内科研单位通过多年的技术积累和攻关，逐渐形成了从锑化物材料的概念、理论研究、材料生长优化、器件设计，到制备工艺开发、集成光电芯片制造及封装测试的全产业、全国产化链条。在国家重大需求牵引、科技创新驱动、国际一流技术水平支撑的合力带动下，我国第四代锑化物半导体技术已实现从原始概念到器件的制备，并正在渐次实现由实验室研究向批量化生产及工业化广泛应用的阶段性转换。

　　

致谢：感谢国家自然科学基金重大项目“锑化物低维结构中红外激光器基础理论与关键技术”（项目编号：61790580）的支持。

　　

本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技纵览》2021年10月刊。