寬禁帶半導體碳化硅在中紅外激光方面的應用

王順沖

寬禁帶半導體碳化硅在中紅外激光方面的應用

王順沖

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南 鄭州 450002）

中紅外波段的激光在分子光譜、氣體探測、環(huán)境保護、醫(yī)學、激光通訊、紅外遙感及光電對抗等領(lǐng)域被廣泛應用。常用的中紅外非線性光學晶體（硫化物及硒化物等）受低激光損傷閾值的限制，不能滿足當今對大功率中紅外激光的迫切需求。碳化硅優(yōu)異的物理性質(zhì)如寬的帶隙（2.3～3.2eV）、高的熱導率（490W/（m·K））及強的共價鍵能（5eV）等有利于提高其抗激光損傷能力。因此，碳化硅將是一種有重要應用前景的中紅外非線性光學材料。

碳化硅；中紅外激光；相位匹配；非線性光學晶體

1 中紅外激光的重要作用

中紅外波段的激光不僅是研究分子光譜學、強場物理等學科的重要手段，而且被應用于工業(yè)及軍事等領(lǐng)域。3～5μm和8～12μm波段的光波具有較高的透過率，是大氣的低損耗窗口，因而，該波段激光對大霧、煙塵等具有很強的穿透力，在軍事上可用于激光通訊、紅外遙感、紅外熱成像、紅外測距及激光瞄準等。此外，許多重要的碳氫氣體及其他有毒氣體分子在3～5μm波段都有很強的特征吸收峰［2］。因此，中紅外激光在氣體探測、大氣遙感和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域也具有廣泛的應用。

2 中紅外激光的產(chǎn)生

目前，中紅外波段的固體激光光源極其缺乏，這是由于固體激光器的增益介質(zhì)受到多聲子弛豫過程的影響，固體激光器輸出的激光波長一般小于3μm。鉛鹽半導體（PbSnTe、PbSnSe及PbCdS等）的帶隙寬度約為幾百毫電子伏特，對應于中紅外波段的光子能量，因此，鉛鹽半導體激光器可用來輸出中紅外激光。但是，鉛鹽半導體材料的熱導率很低，為4.7W/（m·K），大部分鉛鹽半導體激光器都需要在低溫下工作，而且輸出功率低，價格昂貴。半導體量子級聯(lián)激光器（GaInAs/AlInAs）是1994年貝爾實驗室研制的一種新型的中紅外激光光源，它與鉛鹽半導體激光器不同，量子級聯(lián)激光器是單極器件，它只需要電子參與，電子通過在量子阱導帶子能級之間的躍遷發(fā)射光子，并隧穿到下一級，逐級傳遞下去，其激光發(fā)射波長取決于由量子限制效應引起的兩個激發(fā)態(tài)之間的能量差，而與半導體材料的帶隙無關(guān)。量子級聯(lián)激光器是一個高難度的量子工程，結(jié)構(gòu)復雜，國際上僅有少數(shù)幾個課題組開展這方面的研究。此外，量子級聯(lián)激光器閾值電流密度大，散熱性差，一般也需要在低溫環(huán)境下工作，其輸出激光的波長不能連續(xù)調(diào)諧，線寬較寬。

采用非線性光學頻率變換的技術(shù)，如光參量振蕩、光參量放大及差頻等，把可見或近紅外的激光頻率下轉(zhuǎn)換至中紅外波段，是目前獲得高功率全固態(tài)中紅外激光的主要方式。隨著中紅外非線性光學晶體的發(fā)展，差頻和光參量越來越顯示出它們的優(yōu)勢，在現(xiàn)有固體激光器的基礎(chǔ)上利用差頻和光參量技術(shù)實現(xiàn)中紅外激光輸出將是中紅外激光的發(fā)展方向。

3 現(xiàn)有的中紅外非線性光學晶體材料

經(jīng)過多年來人們對非線性光學材料的探索和研究，雖然在紫外和可見光波段已經(jīng)獲得了大尺寸、高質(zhì)量的非線性光學晶體，如KDP、KTP、BBO及LBO晶體等，但在中紅外波段，仍然缺乏合適的非線性光學晶體，至今能得到實際應用的較少。在整個非線性光學的光譜波段范圍內(nèi)，中紅外波段的非線性光學晶體是一個薄弱環(huán)節(jié)。目前，常用的中紅外非線性光學晶體有LiNbO3、AgGaS2、Ag-GaSe2、GaSe、ZnGeP2及LiInS2等，其非線性光學性能顯示現(xiàn)有的中紅外非線性光學晶體都具有較低的激光損傷閾值，這限制了大功率中紅外激光器的產(chǎn)生。因此，尋找性能優(yōu)良的新型中紅外非線性光學晶體材料已成為當前中紅外激光研究領(lǐng)域的難點和前沿方向之一。

4 碳化硅材料的光學性能研究

碳化硅（SiC）晶體作為一種性能優(yōu)異的寬禁帶半導體材料，在高溫、高頻及大功率電子器件方面有重要的應用。此外，SiC與GaN具有較小的晶格適配度，也是外延生長氮化物LED的理想襯底材料。根據(jù)SiC晶體自身的物理性能，如高的熱導率、寬的帶隙及良好的化學穩(wěn)定性等優(yōu)勢可以預測，SiC將是一種有廣闊應用前景的非線性光學材料。SiC晶體最常見的晶型為3C-SiC，4H-SiC及6H-SiC。其中，3C-SiC為立方結(jié)構(gòu)，具有對稱中心，因而不存在二階非線性光學效應。4H和6H-SiC晶體為六方結(jié)構(gòu)，點群為6mm，存在二階非線性光學效應。SiC晶體高的熱導率、寬的帶隙及高的機械強度保障了其優(yōu)異的抗激光損傷性能。實驗結(jié)果顯示，在脈寬為10ns的1 064nm激光測試條件下，4H及6H-SiC晶體的損傷閾值高達80GW/cm2。高的激光損傷閾值預示著SiC晶體在非線性光學頻率變換領(lǐng)域?qū)⒂芯薮蟮膽脙r值。

制約4H及6H-SiC晶體在中紅外非線性光學領(lǐng)域應用的一個重要因素是缺少準確的相位匹配研究結(jié)果。相位匹配是指在非線性光學頻率變換過程中，參與相互作用的三個光波要滿足動量守恒。在此情況下，介質(zhì)中新產(chǎn)生的光波與之前產(chǎn)生的光波不存在相位差，光波的強度不斷增強，進而非線性光學頻率轉(zhuǎn)換才有較高的效率。對于4H和6H-SiC晶體，它們屬于正單軸晶體，相位匹配可以利用其雙折射來補償由色散引起的不同波長的相速度差，即采用不同的偏振光來使不同波長的光具有相同的相速度。一定溫度下，晶體的折射率數(shù)據(jù)唯一決定了該晶體在透光范圍內(nèi)是否滿足非線性光學頻率變換的相位匹配條件。因而，4H和6H-SiC晶體折射率的精確測量是研究其非線性光學性質(zhì)的重要前提。

1944 年，Thibault［1］采用最小偏向角法率先測量了6H-SiC在可見光波段（0.404 7～0.670 8μm）的折射率，測試的精度約為3×10-4。1968年，Choyke等人［2］采用牛頓等傾干涉法測量了6H-SiC的o光折射率（no），并把no擴展到紫外和紅外波段，測量精度約為2×10-3。1971年，Shaffer［3］測量了4H和6H-SiC在可見光波段（0.467-0.691μm）的折射率，并擬合了它們的色散方程，測量精度約為1×10-3。1971年，Singh等人［4］通過最小偏向角法測試了6HSiC在6個波長（0.488 0，0.501 7，0.514 5，0.532 1，0.632 8及1.064μm）下的折射率，并提出采用6H-SiC作為非線性光學晶體利用II類相位匹配在基頻光波長大于2.0μm時實現(xiàn)倍頻輸出，以基頻光波長2.128μm為例，其相位匹配角為75°。需要指出的是，Singh等人測試6H-SiC折射率時采用的波長最大僅為1.064μm，基于短波長的折射率擬合的色散公式外推長波長的折射率會導致結(jié)果存在較大的偏差。2003年，Baugher等人［5］測量了6H-SiC晶體的雙折射（ne-no），并基于文獻Silicon Carbide(SiC)［6］中報道的折射率no，計算出6H-SiC晶體可以滿足光參量振蕩的相位匹配條件。

早期的4H和6H-SiC晶體的折射率數(shù)據(jù)主要集中在可見光波段，缺乏紅外光波段的折射率實驗數(shù)據(jù)。然而，基于可見光波段的折射率色散方程進行外推計算中紅外波段的折射率，會導致較大誤差，進而計算的相位匹配情況也可能會存在嚴重錯誤，這也導致較長時期內(nèi)沒有SiC中紅外非線性光學頻率變換的實驗報道。

5 碳化硅材料在中紅外激光領(lǐng)域的新應用

S.C.Wang等人［7］測試了0.404-2.325μm波長范圍內(nèi)的4H以及6H-SiC的折射率，并測試了4H-SiC晶體在3-5μm范圍的o光折射率，并給出了相應的色散方程。對于6H-SiC晶體，計算結(jié)果表明，在其透光范圍內(nèi)（0.4-6.0μm），6H-SiC晶體不能實現(xiàn)倍頻相位匹配，對于其他非線性頻率變換過程如光參量及差頻等，同樣不能滿足相位匹配條件；只有4H-SiC晶體可以實現(xiàn)中紅外激光輸出的相位匹配條件。進而在實驗上，采用飛秒寬譜激光器作為泵浦光，利用4H-SiC晶體在82°相位匹配角下，通過差頻實驗首次實現(xiàn)了3.8-5.6μm寬譜的中紅外激光輸出；當泵浦光的功率為430MW時，輸出的中紅外光激光平均功率為0.2MW。隨后，H.T.Fan等人［8］利用4H-SiC晶體通過光參量放大也實現(xiàn)了17μJ的脈沖中紅外激光輸出。

6 小結(jié)

SiC晶體具有高的熱導率、高的激光損傷閾值及良好的化學穩(wěn)定性，是一種性能優(yōu)異的非線性光學材料，而對其非線性光學性能的研究是一個機遇與挑戰(zhàn)并存的領(lǐng)域，其中有一些問題有待進一步解決，如高透過率SiC晶體的生長及SiC晶體表面的無損傷加工等，這些問題的解決將對SiC在非線性光學頻率變換領(lǐng)域的應用具有重要的推動作用。

［1］NW Thibault.Morphological and structural crystallography and optical properties of silicon carbide(SiC);Part I,Morphological crystallography and etching figures［J］.Mineral，1944（29）：327-362.

［2］L Patrick，WJ Choyke.Refractive index and low-frequency dielectric constant of 6H-SiC［J］.Journal of the Optical Society ofAmerica，1968（3）：377-379.

［3］PTB Shaffe.Refractive index,dispersion,and birefringence of silicon carbide polytypes［J］.Applied Optics，1971（5）：1034-1036.

［4］S Singh，JR Potopowicz，LG Van Uitert，et al.Nonlinear optical properties of hexagonal silicon carbide［J］.Applied Physics Letters，1971（3）：53-56.

［5］B Baugher，J Goldstein.Temperature dependence of the birefringence of SiC［J］.Optical Materials，2003（3-4）：519-528.

［6］WJ Choyke，ED Palik.Silicon Carbide(SiC)［J］.Handbook of Optical Constants of Solids，1997（12）：587-595.

［7］SC Wang，MJ Zhan,G Wang，et al.4H-SiC:a new nonlinear material for midinfrared lasers［J］.Laser&Photonics Reviews，2013（5）：831-838.

［8］HT Fan，CH Xu，ZH Wang，et al.Generation of broadband 17-μJ mid-infrared femtosecond pulses at 3.75-μm by optical parametric amplification based on SiC crystal［J］.Opt.Lett，2014（21）：6249-6252.

Wide Bandgap Semiconductor SiC:New Effect in Outputting Mid-infrared Laser

Wang Shunchong
（Patent Examination Cooperation Center of the Patent Office,State Intellectual Property Office，Henan，Zhengzhou Henan 450002）

The mid infrared laser has been widely used in molecular spectroscopy,gas detection,environmental protection,medicine,laser communication,infrared remote sensing and photoelectric countermeasure.The commonly used mid infrared nonlinear optical crystals(sulfides and selenide)are limited by the low laser damage threshold,which can not meet the urgent needs of high-power mid infrared laser.The outstanding physical properties of SiC such as wide bandgap(2.3～3.2eV),high thermal conductivity(about 480 W/(m·K)),and high bond energy(about 5eV/bond)may benefit the optical resistance.Therefore,SiC could be a promising candidate for high power mid-infrared laser.

SiC；mid-infrared laser；phase matching；nonlinear optical crystal

O613.7

A

103-5168（2017）09-0133-03

2017-08-01

王順沖（1986-），男，博士，助理研究員，研究方向：半導體及其器件。