半导体激光器从诞生至今半个世纪,在理论、实践和应用方面取得了巨大进展,占据了整体激光领域的大部分市场,广泛应用于通信网络、工业加工、医疗美容、激光传感、航空**、安全防护,以及消费电子等领域。本文在回顾国际国内早期半导体激光器发展历程的基础上,重点针对高功率泵浦源领域的GaAs基8xx nm和9xx nm半导体激光器,三维感知领域的905 nm隧道结激光器和940 nm垂直腔面发射激光器,以及光谱分析和红外感测领域的GaSb基红外激光器和InP基量子级联激光器进行了简单总结。内容包括半导体激光器的主要应用场景、所追求的主要目标、近10年国内外发展的最新进展,以及今后可能的发展趋势与方向。

报道了激射波长为2.1 μm 的GaInSb/AlGaAsSb双量子阱激光器。通过优化外延结构设计和欧姆接触, 无镀膜的宽条激光器达到了9.8%的峰值功率转换效率, 这比原来的值提高了1.5倍, 室温下得到了615 mW的连续激射功率输出和1.5 W的脉冲激射功率输出。这些激光器的阈值电流密度低至126 A/cm2, 斜率效率高达0.3 W/A。通过测试不同腔长的激光器, 测得内损耗和内量子效率分别为6 cm-1和75.5%, 均比原有器件有很大提升。激光器在连续工作3 000 h后, 功率没有明显下降。

采用原子力显微镜(AFM)和X射线光电子能谱(XPS)对不同处理流程后的InP(100)表面粗糙度及化学成分进行测试分析,优选出C、O元素浓度较低,且表面均方根粗糙度影响较小的表面清洗方法。通过比较键合结构的薄膜转移照片可知,表面清洗后的干燥与除气步骤可较好地去除键合界面中的空洞和气泡,从而提高键合质量。键合结构的电子显微镜(SEM)照片,X射线双晶衍射曲线(XRD)及I-V测试分析表明键合结构具有良好的机械、晶体及电学性质。

III-V族晶片键合技术对于光电器件的制备和实现光电集成有着重要意义, 然而,对于键合界面的电学性质仍然研究较少。 采用热电子发射理论,基于界面态能级在禁带中连续分布的假设,根据分布函数结合I-V测试曲线可建立键合结构的界面态 计算模型。利用该模型对不同条件下键合的InP/GaAs电学性质做了分析比较,通过初始势垒的确定,计算并比较了各种键 合条件下GaAs/InP键合时的界面电荷及界面态密度。实验及计算结果表明疏水处理表面550°C 条件下键合晶片对有更低的 表面初始势垒和更少的界面态密度,具有更好的I-V特性。

与量子阱红外探测器相比,量子点红外探测器具有不制作表面光栅就能在垂直入射红外光照射下工作以及工作温度更高等优势.然而,目前阻碍量子点红外探测器性能提高的技术瓶颈主要来自组装量子点较差的大小均匀性、较低的量子点密度以及垂直入射下子带跃迁吸收效率低等原因.利用分子束外延技术研究了如何从量子点材料生长和器件设计两方面来克服这些困难,并且制作了几种不同结构的InGaAs/GaAs量子点红外探测器.在77K时,这些器件在垂直入射条件下观察到了很强的光电流信号.

近年来,经济社会和**装备的信息化对半导体光电子学器件提出了更高的要求,无论是**还是民用工程都需要有自己的关键器件.光电探测器组件作为关键器件之一,世界各国都给予了高度重视,也取得了很大的进展.文中主要介绍了Ⅲ-Ⅴ族半导体全(多)光谱焦平面探测器的研究进展情况,包括量子阱红外探测器(QWIP)、AlGaN紫外焦平面探测器、InGaAs近红外室温焦平面探测器和Sb化物焦平面探测器等.

分析了采用双面键合长波长面发射激光器时,键合界面光吸收系数和电、热导率的变化对器件的光、热性质的影响.对于1λ光学腔的面发射激光器,键合界面吸收系数对器件光学性能影响较大,而对于1.5λ光学腔的面发射激光器,其光学性能基本不受键合界面吸收系数的影响.由有限元方法对面发射激光器的温度分布计算结果可知,当键合界面电、热导率小于GaAs电、热导率的1%时,激光器有源层的温度会有较大的上升.

采用GaA/AlGaAs和InGaAs/AIGaAs多量子阱,研制出了双色同像素读取结构的中波/长波量子阱红外探测器及160×128元中波/长波双色多量子阱红外探测器芯片.器件的材料结构生长是采用分子束外延技术,在5.08 cm半绝缘GaAs衬底上完成的.发展了双色大面阵制备工艺,二维光栅的制备使用标准光刻和离子束刻蚀技术.在77 K时,对量子阱红外探测器测试,得到中、长波段峰值探测率分别为Dλ*=(1.61～1.90)×1010 cmHz1/2W-1和(1.54～2.67)×1010 cmHz1/2W-1.中、长波段峰值波长分别为(2.7～3.8)μm和8.3μm.

提出了利用分子束外延方法生长In0.5Ga0.5As/In0.5Al0.5As应变耦合量子点,并分析量子点的形貌和光学性质随GaAs隔离层厚度变化的特点.实验结果表明,随着耦合量子点中的GaAs隔离层厚度从2 nm增加到10 nm,In0.5Ga0.5As量子点的密度增大、均匀性提高,Al原子扩散和浸润层对量子点PL谱的影响被消除,而且InAlAs材料的宽禁带特征使其成为InGaAs量子点红外探测器中的暗电流阻挡层.由此可见,选择合适的GaAs隔离层厚度形成InGaAs/InAlAs应变耦合量子点将有益于InGaAs量子点红外探测器的研究.

报道了新研制出的160×128元GaAs/AlGaAs多量子阱长波红外焦平面器件.使用MBE的方法在半绝缘的GaAs衬底上生长器件结构;开发了用普通光刻技术和离子束刻蚀法制备2D光栅技术,以及探测器芯片与读出电路互联技术.在77 K时测试,器件的平均峰值探测率D*λ=1.28×1010 cmW-1Hz1/2,峰值波长为λp=8.1μm,截止波长为λc=8.47μm.器件的非盲元率≥98.8%,不均匀性10%.