基于III-V族半導體的二類超晶格（Type-II superlattices）是通過能帶工程設計的一類人工微結(jié)構(gòu)半導體材料，由InAs、GaSb、AlSb及其多元合金周期性交替生長形成超晶格結(jié)構(gòu)，在紅外探測、工業(yè)檢測、氣體傳感、健康醫(yī)療等、民用領域具有重要應用。

但是，外延生長高質(zhì)量的二類超晶格異質(zhì)界面仍面臨很大的挑戰(zhàn)。通常，中紅外帶間級聯(lián)激光器中的二類超晶格異質(zhì)界面高達上千個，界面上微小的晶格畸變應力，在多重累積后會引起薄膜的應變弛豫形成位錯，進而影響器件的光電性能。目前，生長中斷法（利用V族元素充分浸潤）和遷移增強外延法在一定程度上可以解決異質(zhì)界面應力平衡的問題，但是顯著增加了外延生長的復雜程度和時間（時長增加30%以上），降低了生產(chǎn)效率。

  為了保證二類超晶格異質(zhì)界面的質(zhì)量和可重復性，南京大學蘆紅教授團隊通過對分子束外延（MBE）生長異質(zhì)界面應力的精準調(diào)控，獲得了晶格匹配的二類超晶格材料。在InAs/AlSb二類超晶格的異質(zhì)界面插入AlAs層平衡界面應力，實現(xiàn)了ICL器件全結(jié)構(gòu)與InAs襯底的晶格匹配，界面上AlAs插層的調(diào)控效果明顯。外延生長的ICL器件全結(jié)構(gòu)表面呈現(xiàn)原子級平整的臺階，缺陷密度低至102/cm2量級，二類超晶格和多量子阱結(jié)構(gòu)的異質(zhì)界面清晰明銳。

基于高質(zhì)量的二類超晶格外延生長，團隊制備了一系列InAs基ICL器件并獲得了優(yōu)異的性能，包括在300 K下實現(xiàn)了InAs基ICL的最短激射波長——4.02 μm，閾值電流密度232 A/cm2，為已知報道數(shù)據(jù)中低；在長波（8.22 μm）InAs基ICL實現(xiàn)275 K的工作溫度（圖1）。

圖1（a）4 μm ICL的光譜；（b）8 μm ICL的光譜； InAs基ICL的（c）高工作溫度與激射波長關系；（d）閾值電流密度（@ 300 K或高工作溫度）與激射波長關系

團隊和ICL發(fā)明人Oklahoma大學楊瑞青教授以及半導體研究所鄭婉華院士團隊林羽喆博士緊密合作，近幾年在InAs基ICL的研究領域持續(xù)取得進展（[J. Cryst. Growth, 586, 126618, 2022.], [Appl. Phys. Lett., 125, 121103, 2024.], [Opt. Express, 32, 46439, 2024.], [Appl. Phys. Lett., 126, 191104, 2025.]），特別是將InAs基ICL的閾值電流密度不斷降低，展示了中紅外波段ICL在低功耗方面的優(yōu)勢和潛力。

在后續(xù)工作中，團隊將繼續(xù)聚焦前沿半導體激光器件，通過創(chuàng)新優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和精準控制分子束外延技術參數(shù)，實現(xiàn)帶間級聯(lián)激光器等光電子器件的性能優(yōu)化和突破，并拓展基于紅外激光技術的應用。

參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)

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