应用于非制冷激光器的新型稀铋半导体材料研究

Novel dilute bismide is the least studied III-V semiconductors and is expected to show rich and new physical properties. Preliminary studies have revealed that dilute bismide has a large band-gap bowing effect, a large spin-orbit split band and a temperature insensitive band-gap, all promising as a new route for making energy efficient and uncooled semiconductor laser diodes in information and communication technology. This project aims for uncovering physical properties of novel dilute bismide and demonstrating uncooled dilute bismide telecom laser diodes. Bismide compounds will be grown by molecular beam epitaxy and their material properties will be assessed. We intend to study Bi incorporation, to develop growth method to break the Bi solubility limit, to study Bi surfactant effect and to correlate physical properties to the Bi concentration. The project will also focus on understanding device physics of bismide laser diodes, improving thermal stability of bismide and demonstrating prototype uncooled electrically pumped laser diodes. The implementation of this project will provide valuable knowledge on fundamental science of bismide and accumulate key know-how technology for uncooled bismide telecom lasers.

新型稀铋半导体材料是III-V族化合物材料中研究最少的材料，具有丰富的有待认知的物理内涵。稀铋材料具有大的带隙收缩、大自旋-轨道分裂能和高的能带温度稳定性等特殊性质，可望获得高性能非制冷半导体激光器，解决信息和通讯技术高速发展中日益严峻的能耗问题。本项目将以认知稀铋半导体材料物理特性及研制稀铋非制冷通讯波段半导体激光器为目标，通过对稀铋材料物理和器件机制核心科学的认知研究，开展新型稀铋半导体材料分子束外延生长和稀铋材料物性研究，研究铋元素在不同稀铋半导体材料中的凝入行为和表面剂效应，提升稀铋材料中铋元素的组分，获得不同铋组分下稀铋材料的物理参数并揭示其特性规律，解决稀铋材料中铋元素难凝入和热稳定性不够的关键科学问题，研究稀铋半导体激光器器件物理，研制出电泵稀铋非制冷通讯波段半导体激光器原型器件，为发展稀铋化合物非制冷半导体激光器器件解决关键科学问题和提供核心技术积累。

新型稀铋半导体材料具有大的带隙收缩、大自旋-轨道分裂能和高的能带温度稳定性等特殊性质，可望获得高性能非制冷半导体激光器，解决信息和通讯技术高速发展中日益严峻的能耗问题。本项目通过对稀铋材料物理和器件机制核心科学的认知研究，开展新型稀铋半导体材料分子束外延生长和稀铋材料物性研究，解决稀铋材料中铋元素难凝入和热稳定性不够的关键科学问题，研制出电泵稀铋非制冷通讯波段半导体激光器原型器件，为发展稀铋化合物非制冷半导体激光器器件解决关键科学问题和提供核心技术积累。通过本项目的实施，在国际上采用分子束外延首次生长了高质量InPBi、InGaPBi、InAlPBi、AlAsBi和AlSbBi单晶薄膜，获得了晶格常数、带隙收缩率和光学声子能量等一批材料基本物理参数；通过优化生长条件，大幅提升了铋掺入浓度，将GaAsBi、InPBi和GaSbBi室温发光波长分别拓展到1.5微米、2.7微米和3微米，首次发现了InPBi奇异宽光谱发光现象并给予物理解释，创新提出可用作室温超辐射发光二极管并演示了半宽度为350nm的器件，实验证实掺铝可以提高稀铋材料热稳定性；演示室温GaAsBi量子阱激光器，脉冲激射到1.142微米，输出功率超过100mW，实现273K连续激射，在230-350K特征温度为79K，上述器件性能为目前国际上最好报道结果；演示室温蝶形GaAsBi量子阱激光器光泵激射，波长在1.27-1.41微米连续可调，成为首个超过1.3微米的稀铋激光器。上述研究成果极大推进了稀铋半导体材料和器件研究的发展，获得了国际同行的高度认可，使得我国在该领域研究处于国际领先水平。项目执行期研究组加入了欧盟COST Action MP1204合作平台，欧盟多个研究小组纷纷索要样品，合作发表了多篇学术论文。项目执行期获得10次国际会议邀请报告，1次国内会议邀请报告，2016年成功主办了第七届含铋半导体国际会议，应Springer出版社邀请编著Bismuth-Containing Alloys and Compounds英文专著1本，作为客座编辑在Semiconductor Science and Technology杂志上编辑一期稀铋半导体专刊。项目取得了一批重要研究成果，发表了48篇标注资助的SCI论文，申请11项中国专利，授权7项，培养了一批年轻学者和19名研究生。