【材料科普】半导体低维结构红外材料的介绍
在1990年代以前，含锑半导体中红外激光器的发展主要依赖于液相外延(LPE)技术。利用这一技术，Bochkarev等人制备了包含GalnAsSb有源区和AGaeSb包覆层、工作波长为2.3um的双异质结激光器。在室温和连续工作模式下、其临界电流密度低达1.5kAcm。为了进一步提高性能并向长波方向扩展，显著降低俄歇复合是非常必要的。这就要求在器件结构上有大的改进，比如采用量子结构。遗憾的是，液相外延技术难于满足这样的要求。
而1990年以后发展起来的分子束外延(MBE)和有机金同气相外廷(OMVPE)，则为大幅度提高含半导体激光器的性能奠定了基础。1992年，Choi等人首次报导了第一型GalnAsSb/AlCaAsSb量子阱激光器。其工作波长为2.1mm室温下的临界电流密度仅约为260A'cm。其后，MBE或0MVPE方法相继成功地制备出了包括InAsSbInAlAsSb和InAsSb/InAsP等在内的不同量子阱结构激光器，其工作波长则覆盖1.9~4.5mm。此外，基于第二型带间跃迁的第二型激光器也得到快速发展。比较而言，第二型激光器，尤其是级联激光器，具有两个显著特点:一是往长波方向，激光器工作波长可以突破半导体带隙的限制:二是俄歌复合可以有效降低。
制备量子级联激光器的材料是在GaAs和InP衬底上用MBE方法生长的合金，具有带晾能量较高，制备工艺成熟等优点。这使得量子级联激光器与用窄禁带半导体如InAs-、InSb-基合金制备的传统中红外二极管激光器相比，具有更容易加工，更为可靠等优点。
在中红外和长波红外区域，基于子带间单极跃迁的量子级联半导体激光器则占有明显的优势。1971年，Kuzauinov人提出了光助隧穿的概念，即带间子带的发光能量等于穿初态和终态电子能级的差异。1986年，Capasso提出隧穿电子在量子阱区带内子带发光的新思想。1988年，Liv(刘惠春)建议采用三阱结构实现中远红外发光。但随后人们逐步认识到，由于载流子辐射为纳秒(10-9s)量级，远远高于光学声子的能量寿命(10-12s)，要实现高于光学声子能量(36meV)的带内子带粒子数反转相当困难。1990年初，贝尔实验室采用InGaAg/lnAlAs体系，设计了三阱结构并将注人阱的阱究压缩至0.8~1nm。从而将注人阱能级到有源阱能级的光子跃迁寿命降至光学声子能量寿命数量级使有源区带内子能级间的粒子数反转成为可能，并于1994年宣布发明了第一只4.3p的中红外量子级联激光器。
就探测器而言，在利用带间跃迁实现红外探测时，半导休材料的禁带宽度都必须较待探测红外光波能量为低。比如要探测波长λ≥10wm的红外信号，则材料的禁带宽度就必须低于0.1eV。到目前为止，虽然在红外探测器应用领域，HgCdTe仍是最常用的半导体材料，却面临着越来越多的挑战。替代HgCdTe主要是基于技术上的考虑。一方面，脆弱的HGTe键导致了材料体内以及表面和界面的不稳定性:另一方面，大规模光伏HgCdTe红外焦平面阵列研制上进展较慢。因此人们在寻求HCfTe以外红外探测的新手。
