第40卷第10期红外与激光工程2011年10月Vol.40No.10Infrared and Laser Engineering Oct.2011中红外半导体光源和探测器件及其应用张永刚，顾溢，李耀耀，李爱珍，王凯，李成，李好斯白音，张晓钧(中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室，上海200050)摘要：中红外波段(2~25μm)的光电子器件在气体检测、红外遥感和红外对抗等领域都有重要应用。
介绍了笔者近年来在中红外波段的半导体光源和光电探测器方面的工作进展，包括InP基量子级联激光器、2μm波段锑化物量子阱激光器和波长扩展InGaAs光伏型探测器的研制以及器件应用方面的工作。
这些光电子器件所用高性能材料都是笔者采用分子束外延方法生长的，中红外分布反馈量子级联激光器可在高于室温下脉冲工作，2μm波段锑化物量子阱激光器可在80℃下连续波工作，室温工作InGaAs探测器的截止波长扩展已至2.9μm。
这些器件已在气体检测等方面获得应用。
关键词：中红外；半导体激光器；光电探测器；化合物半导体；分子束外延中图分类号：TN24文献标志码：A文章编号：1007-2276(2011)10-1846-05Mid-infrared semiconductor light sources,detectors andits applicationsZhang Yonggang,Gu Yi,Li Yaoyao,Li Aizhen,Wang Kai,Li Cheng,Li Haosibaiyin,Zhang Xiaojun(State Key Laboratory of Functional Materials for Informatics,Shanghai Institute of Microsystemand Information Technology,Chinese Academy of Sciences,Shanghai200050,China)Abstract:The optoelectronic devices in mid-infrared(2-25μm)band have important applications in gas detection,infrared remote sensing,infrared countermeasure,etc.Our efforts on the development of mid-infrared semiconductor light sources and photodetectors,including InP-base quantum cascade lasers,2μm band antimonide quantum well lasers and InGaAs photovoltaic detectors with expansion length were reviewed.The high performance materials for those devices were based on our molecular beam epitaxy grown wafers.Pulse operation of mid-infrared distribution feedback quantum cascade lasers was achieved, and continuous wave operation of2μm band antimonide multi quantum well lasers at80℃was reached.The cut off wavelength of room temperature operation InGaAs photodetector was extended to2.9μm.Those devices had been used for gas detection,etc.Key words:mid-infrared;semiconductor laser;photodetector;compound semiconductors;molecular beam epitaxy收稿日期：2011-02-13；修订日期：2011-03-15基金项目：国家973计划(2006CB604903)；863计划(2006AA03Z0406)；国家自然科学基金(60136010，60876034，60406008，60676026)作者简介：张永刚(1957－)，男，研究员，博士，主要从事化合物半导体光电材料、器件及应用研究。
Email:ygzhang@第10期0引言波长在2~25μm范围的中红外(MIR)波段具有一系列独特的光谱特性，包括大气窗口、气体特征吸收、光谱或热成像、医疗、夜视以及红外对抗等，已引起了人们的广泛关注，和这些特性密切相关的各种应用使得这个波段的光源和探测器日显重要。
与其他基于热学特征的器件相比，基于量子特征的半导体光电子器件具有高速、高效率以及独特的光谱特征等一系列优点，使人们对这个波段的半导体光源和光探测器的需求与日俱增。
在各种类型的应用中，随着不同类型的半导体激光器进入中红外波段,量子级联激光器(QCL)和带间级联激光器(ICL)、中红外短波段的锑化物量子阱激光器(MQWLD)以及InGaAs光电探测器都有了长足发展，基于可调二极管激光吸收光谱(TDLAS)的中红外波段气体传感已引了广泛关注，这些器件的进步已大大加速了MIR-TDLAS的研究进程，其目的是发展小型化、坚固可靠，具有合适性能特别是特异选择性的气体传感器，同时，InGaAs探测器也在航天遥感和激光雷达探测等领域获得重要应用。
面对这些背景，笔者在研发中红外波段的半导体激光器和探测器以及推动其应用方面做了持续的努力，以下着重介绍近年来的一些进展。
1InP基量子级联激光器InP基的InAlAs／InGaAs QCL特别适合工作于4～10μm波长范围，笔者在此方面的研究工作已持续了十余年，具体工作包括：含数百上千层薄至1nm量级的微结构半导体薄膜材料的气态源分子束外延生长、各种结构的激光器芯片研制以及器件性能的测试分析和优化等，近年来侧重发展单模DFB结构器件、分析和改进器件的热特性以及开发实用化的器件模块等方面[1-7]。
目前，QCL模块已可在高于室温下脉冲驱动稳定工作，图1为分布反馈DFB-QCL模块的典型特性，其激射波长约为7.7μm，适合应用于温室效应气体N2O的TDLAS探测。
22μm波段量子阱激光器GaSb基A lGaAsSb/InGaAsSb多量子阱(MQW)激光器特别适合于2～3μm的激射波长，但由于其在材料生长和器件工艺方面的困难因而发展较慢。
笔者在此方面的研究工作也已持续了十余年，目前，所研制的2.1μm波长锑化物量子阱激光器已可在超过80℃下连续波工作[8]，并在一定驱动范围内获得稳定的单模输出，图2为其典型特性。
笔者在不含锑的InP基波长延伸激光器方面进行了探索[9-13]，希图2AlGaAsSb/InGaAsSb MQW激光器的典型特性Fig.2Performances of fabricated AlGaAsSb/InGaAsSb MQW laser 图1InAlAs/InGaAs DFB-QCL在不同温度下的激射光谱Fig.1Lasing spectra of fabricated InAlAs/InGaAs DFB-QCL at different temperatures张永刚等：中红外半导体光源和探测器件及其应用1847红外与激光工程第40卷望把其激射波长拓展到2μm以上。
3短波红外InGaAs探测器对于InP基的三元系InGaAs材料，由于其具有很好的材料稳定性及良好的抗辐照性能，并且有较成熟的材料生长和器件工艺，因此，可以期望得到性能良好的探测器，特别是在高速、室温工作和强辐照等环境下。
采用与InP晶格匹配的In0.53Ga0.47As材料制作的探测器，其截止波长约为1.7μm，为使InGaAs探测器的截止波长向长波方向拓展，就需要增加其中In 的组分从而使材料的禁带宽度相应减小。
例如，要将In x Ga1-x As探测器的截止波长从1.7μm扩展至2.9μm,就需要使In的组分x从0.53增加至约0.9，这会使InGaAs和InP衬底间产生约2.6%的晶格失配。
在此大失配情况下，为保证良好的材料质量，从而防止探测器的性能劣化，就必须引入合适的缓冲层结构。
笔者采用气态源分子束外延(GSMBE)方法,应用不同的缓冲结构及器件构型研制了系列化的波长延伸InGaAs/InP 光伏探测器，并对其性能进行了具体表征(见图3)，其室温下的截止波长已可覆盖1.7~2.9μm[14-24]。
图3波长扩展InGaAs探测器的探测率和R0A温度特性测量结果及其与Judson InAs探测器的比较Fig.3Measured detectivity and R0A data of wavelength extended InGaAs photovoltaic detectors cut-off at2.4μm and2.9μm and that of Judson InAs detector 4器件应用在航天遥感方面InGaAs探测器的优异性能已得到了公认，成为短波红外波段的优选器件。
采用GSMBE方法生长的原位掺杂成结外延材料研制的焦平面器件已在此波段获得良好的性能[25-28]，可望得到广泛应用。
在MIR-TDLAS方面，笔者已采用自制的中红外光电子器件进行了一系列气体检测实验。
首先，用温室效应气体N2O作为目标气体，采用7.7μm波长的自制DFB-QCL及自建系统进行了气体探测演示，图4为测量系统及其检测结果[29]。
其后，又采用自制2.1μm 波长的AlGaAsSb/InGaAsSb MQW-LD和InGaAs探测器进行了一系列TDLAS实验[30-32]，在此实验中采用的光程为10m的气体池已达到了亚ppm的检测(a)检测系统示意图(a)Schematic diagram of detection system(b)采用脉冲波长扫描方案测得的N2O吸收谱(b)Absorption spectrum of N2O using wavelength scan scheme图4采用InAlAs/InGaAs DFB-QCL在7.7μm波长上进行的气体TDLAS检测实验Fig.4TDLAS experiment adopting InAlAs/InGaAs DFB-QCL at7.7μm1848第10期灵敏度，图5为实验系统及测量结果。