含铋III-V族材料的分子束外延生长及中红外激光器研究

III-V compound semiconductors containing the heaviest naturally occurring group V element, Bismuth, is a relatively unexplored material system that is expected to offer many unique optical and electrical properties desirable for numerous innovative device applications.The potentials offered by this materials include the strategic to cover longer near infrared (IR) wavelengths and uniquely large spin orbit (SO) splitting which provides opportunities for semiconductor spintronic devices. Therefore there are increasing interests on this research field in the recent years but not in China yet. This proposal aims to aunch a major research direction in the area of III-V bismide materials and devices in China and in particular to emphasizes the development of high performance Mid-IR (3-4 μm) type-I quantum well (QW) lasers using the (In)GaAsSbBi materials grown on GaSb substrates by molecular beam epitaxy (MBE).Such an approach can potentially fill the gap for high power, 3-4 μm, room temperature (RT), continuous-wave (CW) semiconductor lasers.

铋（Bismuth），是自然形成的最重V族元素。含有铋的III-V族化合物半导体是一种新兴材料，最近在国际上引起越来越多的关注，而在国内还没有相关研究。预计这种材料可以把近红外应用延伸到更长波长，而其大自旋轨道劈裂还为自旋器件提供了新的机遇。本项目旨在利用分子束外延，生长高质量的含铋III-V族半导体材料，研究其光学和电学特性，在国内开辟III-V族铋化物材料与器件研究新方向，并成为国际本领域的一个主流。本项目计划着重研究在GaSb衬底上生长(In)GaAsSbBi材料，发展高效中红外（3-4 μm) I型量子阱激光器，以期填补现有室温连续半导体激光器的空白。

含铋III-V族材料被广泛的研究用于下一代光电器件的研发中。相对于其它III-V 材料，铋化物的光电应用尚处于初级阶段，而如何实现高质量的含铋材料是当前急需解决的研究重点之一。本项目前期主要是研究在GaSb 衬底上分子束外延生长高质量(In)GaAsSbBi 材料，制备高效中红外（3-4 μm）I 型量子阱激光器，以期填补现有室温连续半导体激光器的空隙。同时，开启含铋化合物半导体研究新方向，为很多种新型含铋材料与器件应用提供新实践。研究主要内容集中于研究利用分子束外延对含铋材料生长的有效控制，并利用透射电子显微镜，X 射线衍射仪，原子力学显微镜，光致发光光谱等多种测试手段测定材料生长质量并研究含铋材料生长机理；研究含铋材料的形成和生长控制，并实现组分可控，表面平整，光学或电学质量好，通过新的生长手段实现窄禁带半导体薄膜的制备和其光电应用。项目重要结果、关键数据及其科学意义包括：在国际上率先研究报道了铋元素在III-V族材料生长中参与结晶和作为表面活化剂的双重作用。在III-V族材料基础上，拓展研究了含铋的其他材料体系，特别是高质量的Bi2Se3纳米材料和薄膜，并进行了其在热电和拓扑绝缘体等方面的应用。本研究实现的新的生长方法和器件研制技术将能够应用于研究开发下一代高性能红外光电器件，热电器件，以及拓扑绝缘体。