表面等离激元MIS波导激光器研究进展

纳米激光器在光通信、全息技术、生物医疗成像等领域有着广泛的应用前景。表面等离激元（Surface plasmon polariton，SPP）沿着金属表面传播，基于该特性可制成突破衍射极限的低阈值纳米激光器。它们不但具有小尺寸特征，同时还能激发Purcell效应，表现出更高的自发辐射效率。近年来，金属-绝缘体-半导体（MIS）波导结构的SPP激光器因具有超强的模式约束能力被大量报道。

据麦姆斯咨询报道，太原理工大学崔艳霞教授、李国辉副教授及其团队围绕MIS波导结构的SPP激光器主题进行了综述研究，在《发光学报》期刊发表了题为“表面等离激元金属-绝缘体-半导体波导激光器研究进展”的综述文章，介绍了SPP MIS波导激光器的工作原理、增益介质材料以及研究进展，并对其未来发展和挑战进行了展望。

基于MIS波导结构的SPP激光器包括三层：位于上层的半导体层和位于下层的金属层，以及位于金属层和半导体层之间的绝缘材料层。半导体材料构成了MIS激光的增益介质，它们为所激发的SPP模式提供放大的来源。基于MIS波导结构的SPP激光器根据增益介质的形状不同，主要分为纳米片和纳米线两类。

MIS波导结构表面等离激元激光器截面图及基本原理示意图

纳米片MIS波导结构示意图（a）及其两步等效模型（（b）~（c））

目前，已经报道的SPP MIS波导激光器所使用的增益介质包括Ⅱ-Ⅵ半导体、Ⅲ-Ⅴ半导体以及钙钛矿等。Ⅱ-Ⅵ半导体和Ⅲ-Ⅴ半导体因其宽禁带、波长可调特性成为最早作为SPP MIS波导激光器的增益介质材料。最近几年来，钙钛矿因制备成本低、发光性能好等特性成为一种新型的SPP MIS波导激光器增益介质材料。

基于Ⅱ-Ⅵ半导体的SPP MIS波导激光器

用于SPP MIS波导激光器的Ⅱ-Ⅵ半导体主要包括CdS、CdSe、ZnO，这些材料具有覆盖可见光波段到紫外光波段的禁带宽度、直接跃迁的能带结构等特点，研究者们以这些材料为增益介质，研发出了低阈值、Purcell因子高、超快动力学等性能的MIS结构激光器。例如，2017年，Zhang等研究人员利用CdS材料的自吸收特性，开发了一种波长可调的CdS基纳米线SPP MIS波导激光器，其绝缘层为SiO2，金属层为Ag。由于一维纳米线半导体中存在强的激子-声子耦合，导致其能带发生波动，产生了位于Urbach带尾区域的光吸收与光发射。

基于CdS纳米线/SiO2/Ag SPP激光结构示意图及激光光谱

基于Ⅲ-Ⅴ半导体的SPP MIS波导激光器

用于SPP MIS波导激光器的Ⅲ-Ⅴ半导体主要包括GaN、InGaN、AlGaN、GaAs/AlGaAs、In-GaAsP，这些材料具有波长可调、禁带宽、热稳定性好等性能。研究者们以这些材料为增益介质，研发出了低阈值、波长可调的SPP MIS波导激光器。例如，2020年，Liu等研究人员报道了一种Ⅲ族氮化物基纳米线SPP MIS波导激光器。在SPP MIS波导结构中，电磁场局域化提供了很强的SPP耦合，提高了半导体中光生载流子转变成辐射更快的SPP模式的比例，促进了激子-SPP的耦合极化，该器件的性能因此得到了大幅改善。

基于InGaN/GaN（Al-GaN/GaN）纳米线/SiO2/Ag（Al）SPP激光结构示意图及激光光谱

基于钙钛矿的SPP MIS波导激光器

Ⅱ-Ⅵ、Ⅲ-Ⅴ半导体材料均是通过气相沉积法制备得到的，该工艺相对复杂、成本较高。而钙钛矿材料可通过溶液法制备，成本相对较低。用于SPP MIS波导激光器的钙钛矿材料主要包括MAPbX3（X为I、Br、Cl）、CsPbX3（X为I、Br、Cl），这些材料在宽光谱范围内具有吸收系数高、光致发光量子产率高、缺陷态密度低、俄歇复合速率低等良好的光学性能。研究者们以钙钛矿为增益介质材料，研发出了低阈值、高品质因子的SPP MIS波导激光器。例如，2018年，哈尔滨工业大学肖淑敏团队制备出了MAPbX3基纳米片SPP MIS波导激光器，其纳米片位于加载了SiO2的Au膜上，成功地实现了发光峰位可来回调整100 nm以上的SPP MIS波导激光器。

基于MAPbI3/SiO2/Au SPP激光结构示意图及激光光谱

目前，SPP MIS波导激光器已经在突破衍射极限、实现激光器小型化、降低激光器阈值等方面取得了显著成果，然而，SPP MIS波导激光器在机理、材料、结构、电泵浦等方面仍面临着一些新的挑战。

随着半导体集成电路发展趋势呈指数型增长，电子器件也在摩尔定律的驱动下朝着微型化的方向发展，SPP MIS波导激光器将突破衍射极限，使得该激光器光源的物理尺寸与电子器件的大小不相上下，因此以纳米激光为光源的芯片光互联技术有助于填补半导体领域的空白。在SPP MIS波导激光器的探索中，更低阈值、更小型化的激光器一直是科学家们不断追求的更高目标。在未来，如何将SPP MIS波导激光器应用在生物传感、信息传输、数据存储等方面，将是科学家们探索的另一个热点和重点。

审核编辑：刘清