红外量子级联激光器关键技术及应用.doc

2021 年北京市科学技术奖提名公示内容（公告栏） 一、项目名称 红外量子级联激光器关键技术及应用 二、候选单位 1、中国科学院半导体研究所 三、候选人 1、刘峰奇;2、张锦川;3、刘俊岐;4、卓宁;5、翟慎强;6、王占国;7、王利军;8、梁 平;9、刘舒曼;10、陆全勇;11、马骁宇;12、胡颖;13、李路;14、姚丹阳;15、闫方亮 四、项目简介. 该发明属光电子学与激光技术领域（学科代码 51020），涉及了多项研制红外量子级联激 光器（Quantum Cascade Laser，简称 QCL）的关键技术。 小型、大功率、波长可调谐、可集成的红外激光器在反恐/安全、智能传感等领域具有关 键作用。QCL 经过二十余年的发展，已经被证实是最理想的中远红外半导体激光器，是国 际高度关注的战略性高技术，属国家“卡脖子”技术，高功率 QCL 国外长期对我国实施 禁运。 该项目实施之前，国际上没有实用化 QCL 产品、仅有少数几个实验室有能力研制 QCL，其 技术瓶颈在于能带结构设计、近千层纳米级厚度的三元化合物半导体异质结构外延、大 功率低阈值工艺、调谐范围及光束质量控制等。项目成员攻克了材料设计与制备、器件 工艺等全链条关键技术，研发出波长 3.5-16.5μm 范围的一系列低阈值和高功率 QCL 器 件，可满足不同领域的需求。 发明点 1：全结构近千层 QCL 制备技术、量子点 QCL 设计原理与制备技术 （1）围绕 QCL 有源区近千层三元化合物半导体量子阱/超晶格结构材料层厚、组分、界 面质量和调制掺杂精确控制的难题，发明了分子束外延（MBE）技术涉及的源炉温度、束 第 1 页/共 9 页 流强度、生长速率、生长温度的协同控制技术，提高界面质量的同时、降低背景掺杂的 影响，使 QCL 材料质量显著提高；（2）针对 QCL 波导损耗难题，发明了固态 MBE 生长 InP 技术，有效降低 QCL 的阈值电流密度、提高输出功率；（3）发明了量子点 QCL 设计原理 和对应的二级应变补偿制备技术，研制出国际上第一个量子点 QCL。 发明点 2：QCL 单模宽调谐波导模式调控技术 发明了 QCL 单模宽调谐波导模式调控技术，利用取样光栅对光学模式实施有效调控，解 决了 QCL 调谐范围、单模稳定性、阈值电流密度与输出功率兼顾的难题，研制出国际上 阈值电流密度和阈值功耗最低的 QCL。 发明点 3：微纳结构复合光栅对 QCL 的远场控制技术 发明了面发射 QCL 的光束控制技术，解决了 QCL 在室温连续波工作模式下远场发散角大 的难题，研制出国际第一个室温连续波工作的脊型面发射 QCL。 本项目实现了 QCL 波长拓展和效能提升，超低阈值的单模 QCL 仅 22mA 就可激射、为国际 最好水平，研制出多个波段瓦级高功率 QCL，指标超过禁运水平、部分波长的输出功率国 际领先。上述成果有利支撑了国内 50 多家（北京市 10 余家）高校、科研所和企业的科 研进展和技术开发，促进了红外传感技术的升级和产业发展，近三年在项目候选单位新 增直接销售额 2109.57 万元，成果应用于国家重大项目，产生了重要的社会效益。 第 2 页/共 9 页 五、主要支撑材料目录 5.1 知识产权支撑材料目录 序号 1 知识产权类别 名称 发明专利权 砷化镓基量子级联 半导体激光器材料 及生长方法 国（区）别 授权号 中国 2005100 86962.4 授权公告日 发明人 权利人 2009-01-14 李路，刘峰奇，刘俊 岐，郭瑜，周华兵， 梁凌燕，吕小晶 中国科学院半导体研究所 2014-01-08 刘峰奇，卓宁，李路， 邵烨，刘俊岐，张锦 中国科学院半导体研究所 川，王利军，王占国 2 发明专利权 量子点级联激光器 中国 2012101 05753.X 3 发明专利权 集成肋片式红外半 导体激光器结构 中国 2008101 16832.4 2011-01-26 刘俊岐，刘峰奇，李 路，王利军，王占国 中国科学院半导体研究所 发明专利权 用固态磷裂解源炉 分子束外延磷化铟 材料的方法 中国 2005101 26237.5 2008-09-24 李路，刘峰奇，周华 兵，梁凌燕，吕小晶 中国科学院半导体研究所 发明专利权 量子级联激光器脊 形腐蚀辅助检测装 置及方法 中国 2012102 11816.X 2014-07-09 梁平，胡颖，刘俊岐， 刘峰奇，王利军，张 中国科学院半导体研究所 锦川 发明专利权 光栅分布反馈量子 级联激光器 中国 2013103 08727.1 2016-01-20 张锦川，刘峰奇，卓 宁，王利军，刘俊岐， 中国科学院半导体研究所 王占国 发明专利权 双全息曝光制备量 子级联激光器掩埋 双周期光栅方法 中国 2013100 28764.7 2014-12-31 姚丹阳，张锦川，闫 方亮，刘俊岐，王利 军，刘峰奇，王占国 中国科学院半导体研究所 发明专利权 单模 F-P 腔量子级 联激光器的器件结 构及制作方法 中国 2005101 26478.X 2008-05-28 郭瑜，刘峰奇，刘俊 岐，王占国 中国科学院半导体研究所 发明专利权 电泵浦边发射半导 体微腔激光器的制 作方法 中国 2003101 23450.1 2007-03-14 陆秀真，常秀兰，李 成明，刘峰奇，王占 国 中国科学院半导体研究所 4 5 6 7 8 9 第 3 页/共 9 页 10 11 12 13 发明专利权 边发射二维光子晶 体分布反馈量子级 联激光器及制备方 法 发明专利权 一种改善面发射半 导体激光器慢轴远 场的金属天线结构 发明专利权 一种低发散角的面 发射量子级联激光 器结构 发明专利权 一种低发散角分布 反馈量子级联激光 器结构及制作方法 发明专利权 垂直发射量子级联 激光器结构 15 发明专利权 量子级联激光器相 干阵列结构、激光 器及其制造方法 序号 知识产权类别 名称 14 序号 知识产权类别 论文(著 作)名称 刊名/出版 社 中国 2008101 19796.7 中国 2014105 20059.3 中国 2013105 03782.6 中国 2013105 04071.0 2011-04-13 陆全勇，张伟，王利 军，高瑜，尹雯，张 全德，刘万峰，刘峰 奇，王占国 2016-08-17 姚丹阳，张锦川，周 予虹，贾志伟，闫方 中国科学院半导体研究所 亮，王利军，刘俊岐， 刘峰奇，王占国 2015-12-30 张锦川，姚丹阳，闫 方亮，刘峰奇，王利 军，刘俊岐，王占国 中国科学院半导体研究所 2016-04-20 张锦川，刘峰奇，闫 方亮，姚丹阳，王利 军，刘俊岐，王占国 中国科学院半导体研究所 2012-03-28 郭万红，刘俊岐，陆 全勇，张伟，江宇超， 中国科学院半导体研究所 李路，王利军，刘峰 奇，王占国 中国科学院半导体研究所 中国科学院半导体研究所 中国 2010101 71511.1 中国 2015107 06103.4 2018-05-25 张锦川，刘峰奇，梁 平，胡颖，王利军， 刘俊岐，王占国 标准类别 标准编 号 标准发布日期 标准起草单位 标准起草人 年卷期页 码 发表时 间 (年月日) 通讯 作者 （含共同） 第一 作者 （含共同） 论文全部作者 第 4 页/共 9 页 五、主要支撑材料目录 5.2 国家法律法规要求的行业批准文件目录 序号 审批文件名称 产品名称 审批单位 第 5 页/共 9 页 审批时间 批准有效期 申请单位 五、主要支撑材料目录 5.3 经济效益支撑材料目录 名称 （限 20 字） 效益产生时间 项目收 入（万元） 北京航天长征飞行器研究所 2019-08-08 17 合同 2 中国电子科技集团公司第五十三研究 所 2019-12-31 75 技术开发合同（协 议） 合同 3 中国电子科技集团公司第十一研究所 2020-01-16 600 技术开发合同（协 议） 合同 4 中航工业集团洛阳电光设备研究所 2020-01-17 49 序号 候选单位 支撑材料种类 1 中国科学院 半导体研究 所 技术开发合同（协 议） 合同 1 2 中国科学院 半导体研究 所 销售合同 3 中国科学院 半导体研究 所 4 中国科学院 半导体研究 所 证明方 第 6 页/共 9 页 备注 5 中国科学院 半导体研究 所 技术开发合同（协 议） 合同 5 中国人民解放军防化研究院 2020-07-26 68 6 中国科学院 半导体研究 所 技术开发合同（协 议） 合同 6 中国电子科技集团公司第十一研究所 2021-09-01 300 7 中国科学院 半导体研究 所 销售合同 合同 7 中国科学院光电技术研究所 2021-10-11 60 8 中国科学院 半导体研究 所 销售合同 合同 8 南京电子设备研究所 2021-11-02 58.8 9 中国科学院 半导体研究 所 技术开发合同（协 议） 合同 9 中国电子科技集团公司第十一研究所 2021-11-26 300 第 7 页/共 9 页 10 中国科学院 半导体研究 所 项目收入明细表 销售明细（含前 9 项合同） 中国科学院半导体研究所 第 8 页/共 9 页 2019-04-29 581.77 近三年 销售总 额为 2109.57 万元，除 去上面 9 个附件 合同的 1527.8 万元，其 它单位 的销售 总额共 计 581.77 万元。 六、提名意见 红外量子级联激光器（QCL）在气体传感、自由空间通信等领域有重要的应用需求。红外 QCL 材料是由近千层纳米 级超薄层量子阱组成，要求量子阱之间相互耦合，因此材料设计、制备的技术难度极大。成果完成人 20 余年一直 致力于研发红外 QCL 的关键技术，发明了从材料结构设计、有源区千层异质外延、大功率低阈值器件工艺、低发散 角选取等多项核心技术，在国际上率先实现了短波长（3.54μm）、应变补偿 QCL 的室温工作，促进了国际上应变 补偿 QCL 的发展；研制出亚洲第一个室温连续工作的 QCL；将量子点成功的引入到 QCL 中，利用两步应变补偿的技 术生长出了量子点级联材料，发明了量子点级联激光器；研制出室温连续工作 2W 以上的 QCL，打破了美国垄断。项 目整体水平达到了国际先进水平，部分关键指标达到了国际领先水平。项目发明成果已经形成了系列产品并销售给 了国内外 50 多家单位，近三年新增直接销售额 2109.57 万元，项目成果应用于国家重大项目，产生了重要的社会 效益。 提名该项目为北京市科学技术奖技术发明奖（一等奖） 第 9 页/共 9 页