在GaAs衬底上生长的用于高效中红外发射器的变形InAs(Sb)/InGaAs/InAlAs纳米异质结构

摘要： 目前，工作在3-5微米中红外（mid-IR）波段的高效半导体激光器与发光二极管在气体传感、无创医疗检测、红外光谱等诸多领域需求旺盛。传统上采用晶格常数约6.1?的III-V族化合物实现该波段器件。虽然利用In(Ga,Al)As化合物在GaAs衬底上制备此类发射器的构想颇具吸引力，但基于赝晶AlGaAs的量子级联激光器存在最低工作波长约8微米的限制，或需采用厚应变缓冲层（MBLs）来降低有源区穿透位错（TDs）密度——这些位错会显著削弱中红外发射器的量子效率。本综述详细报道了通过分子束外延（MBE）在GaAs(001)衬底上采用凸变梯度InxAl1-xAs MBLs制备含II型/ I型复合InSb/InAs/InGaAs量子阱（QW）的In(Ga,Al)As异质结构以实现高效中红外发射器（3-3.6微米）的研究成果。我们结合MBE生长条件和器件结构设计，探讨了应变弛豫、弹性应力平衡以及10-300K温度下辐射与非辐射复合效率等关键问题。研究综合运用原位反射高能电子衍射、原子力显微镜（AFM）、扫描/透射电镜、X射线衍射、倒易空间映射、选区电子衍射及光致发光（PL）、傅里叶变换红外光谱等技术，系统分析了应变量子阱的结构与光学特性。通过优化生长条件（衬底温度、As4/III比）及调控MBL与InAlAs虚拟衬底间In组分逆阶梯分布形成的弹性应变分布，成功将TD密度降至3×107 cm?2，使近表面低TD密度MBL区域厚度增至250-300纳米，AFM测得表面粗糙度均方根值低至1.6-2.4纳米，并使该结构在300K温度下仍保持较强的3.5微米PL强度。结果表明：在最佳MBE条件下生长的优化设计应变InSb/In(Ga,Al)As QW异质结构，为GaAs平台实现高效中红外发射器提供了极具前景的解决方案。