2-3μm InP基锑化物激光器的研究

High-performance semiconductor lasers above 2μm have great application in the field of environmental protection, safety inspection, quantitative analysis, laser imaging and infrared countermeasures. This project aims at novel antimonide laser materials and devices based on high-efficiency MOCVD and the state-of-the-art InP-based materials system. We intend to design high-gain InP-based InAsSb quantum well (dots) avtive region including high barrier and Type Ⅱ energy band alignment design and low-loss high-confinement-factor waveguide including buried ridge and coupled ridge structures, and grow high-strain InP-based InAsSb quantum well (dots) laser materials with excellent quality by MOCVD utilizing such as Sb-surfactant and ally effect, atomic layer deposition and multi-step cladding methods. Through this project high-quality InP-based antimonide laser materials and devices with excellent performance will be obtained, and the device will operate at room-temperature continuous-wave mode, with wavelength range of 2-3μm, threshold lower than 500 mA, characteristic temperature above 100 K and output power above 100 mW. This project will pave a new way for manufacturing high-performance InP-based laser with wavelength up to 3μm or even longer benefiting from the efficient MOCVD technology.

2-3μm波段高性能半导体激光器在环保、安检、激光成像、红外对抗等领域有重大应用需求。本项目拟在原有InP基InGaAs激光器和量子级联激光器的基础上，注入新的物理思想，开展基于金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术的InP基新型锑化物激光器研究。（1）研究高性能InP基InAsSb量子阱（点）有源区结构设计，包括高垒、Type Ⅱ型能带构型，以及掩埋脊、耦合脊构型波导设计；（2）研究大应变、高质量InP基InAsSb量子阱（点）材料的MOCVD制备技术，包括Sb活化与合金效应调制技术、原子层沉积非平衡生长技术、变温分步盖层技术等。最终本项目研制出室温连续工作的InP基InAsSb量子阱（点）激光器，工作波长覆盖2-3μm，阈值低于500mA，特征温度大于100K，功率大于100mW。本项目的实施将为InP基2-3μm半导体激光器的研制提供一个新的可行性方向。

短波中红外（2-5μm）包含着许多重要的分子吸收峰，在气体传感、环保、安检、计量分析等领域大有用途。另外，该波段包含了2-2.5微米、3-5微米等非常重要的大气窗口，工作在此波段的激光器在激光雷达、自由空间通信等方面有着重要的应用。InP基短波中红外光源在半导体光源中占有着独特的地位，这不仅得益于InP衬底（相比较于GaSb衬底）更大的尺寸、更低的价格，更是与现有光纤通讯技术建立起的成熟工艺流程相兼容，且可制作光电子集成芯片（PIC）。目前，InP基近红外1.3μm、1.55μm波段光源发展成熟，而在较长波长略显不足，国际上鲜有报道。本项目以实现高性能的低维结构光电器件为目标，开展了量子点、量子阱等激光器的材料生长、器件结构设计、工艺制备以及性能测试与表征的相关工作。本项目基于InP衬底的材料体系，在短波中红外波段取得了一些很有意义的成果：（1）实现三元合金InAsSb量子点的可控生长，相应FP腔激光器激射波长为1.8μm，室温脉冲峰值功率超过600mW，外微分量子效率为12.8%；（2）设计并生长了应变InGaAs量子阱激光器，为解决宽脊器件高阶横模导致的远场发散角大的问题，基于InGaAs外延片研制了锥形腔波导结构激光器，3°锥角器件实现了最小远场发散角8.2°基横模单瓣激射，最高功率达到40mW；（3）设计并生长了2.1μm InGaAsSb量子阱激光器，详细研究了锑在材料生长中的作用，激射波长可以达到2.1μm，相比于InGaAs激光器，掺锑的激光器室温连续输出光功率提升至320mW，光电转换效率（WPE）基本翻倍，这些激光器性能为目前国际上报道的InP基2.1微米波段的最好结果之一；（4）基于InGaAsSb外延片，针对光学层析成像（OCT）系统所需要的低相干光源，设计并制备了3种波导结构超辐射发光管，其中最宽光谱的半高宽为99nm，室温连续最高输出功率达到30mW。目前此结果是InP基短波中红外超辐射管的突破性进展；（5）针对CO2的2004nm吸收峰研制了二级光栅单模面发射DFB InGaAsSb量子阱激光器，获得了40dB的最高边模抑制比（SMSR），并且在整个温度范围内无模式跳变，光谱峰值可从2002.7nm线性调谐至2006nm，面发射和边发射输出总功率超过30mW，满足气体传感需要。