納米激光器在光通信、全息技術、生物醫療成像等領域有著廣泛的應用前景。表面等離激元（Surface plasmon polariton，SPP）沿著金屬表面傳播，基于該特性可制成突破衍射極限的低閾值納米激光器。它們不但具有小尺寸特征，同時還能激發Purcell效應，表現出更高的自發輻射效率。近年來，金屬-絕緣體-半導體（MIS）波導結構的SPP激光器因具有超強的模式約束能力被大量報道。

據麥姆斯咨詢報道，太原理工大學崔艷霞教授、李國輝副教授及其團隊圍繞MIS波導結構的SPP激光器主題進行了綜述研究，在《發光學報》期刊發表了題為“表面等離激元金屬-絕緣體-半導體波導激光器研究進展”的綜述文章，介紹了SPP MIS波導激光器的工作原理、增益介質材料以及研究進展，并對其未來發展和挑戰進行了展望。

基于MIS波導結構的SPP激光器包括三層：位于上層的半導體層和位于下層的金屬層，以及位于金屬層和半導體層之間的絕緣材料層。半導體材料構成了MIS激光的增益介質，它們為所激發的SPP模式提供放大的來源。基于MIS波導結構的SPP激光器根據增益介質的形狀不同，主要分為納米片和納米線兩類。

MIS波導結構表面等離激元激光器截面圖及基本原理示意圖

納米片MIS波導結構示意圖（a）及其兩步等效模型（（b）~（c））

目前，已經報道的SPP MIS波導激光器所使用的增益介質包括Ⅱ-Ⅵ半導體、Ⅲ-Ⅴ半導體以及鈣鈦礦等。Ⅱ-Ⅵ半導體和Ⅲ-Ⅴ半導體因其寬禁帶、波長可調特性成為最早作為SPP MIS波導激光器的增益介質材料。最近幾年來，鈣鈦礦因制備成本低、發光性能好等特性成為一種新型的SPP MIS波導激光器增益介質材料。

基于Ⅱ-Ⅵ半導體的SPP MIS波導激光器

用于SPP MIS波導激光器的Ⅱ-Ⅵ半導體主要包括CdS、CdSe、ZnO，這些材料具有覆蓋可見光波段到紫外光波段的禁帶寬度、直接躍遷的能帶結構等特點，研究者們以這些材料為增益介質，研發出了低閾值、Purcell因子高、超快動力學等性能的MIS結構激光器。例如，2017年，Zhang等研究人員利用CdS材料的自吸收特性，開發了一種波長可調的CdS基納米線SPP MIS波導激光器，其絕緣層為SiO2，金屬層為Ag。由于一維納米線半導體中存在強的激子-聲子耦合，導致其能帶發生波動，產生了位于Urbach帶尾區域的光吸收與光發射。

基于CdS納米線/SiO2/Ag SPP激光結構示意圖及激光光譜

基于Ⅲ-Ⅴ半導體的SPP MIS波導激光器

用于SPP MIS波導激光器的Ⅲ-Ⅴ半導體主要包括GaN、InGaN、AlGaN、GaAs/AlGaAs、In-GaAsP，這些材料具有波長可調、禁帶寬、熱穩定性好等性能。研究者們以這些材料為增益介質，研發出了低閾值、波長可調的SPP MIS波導激光器。例如，2020年，Liu等研究人員報道了一種Ⅲ族氮化物基納米線SPP MIS波導激光器。在SPP MIS波導結構中，電磁場局域化提供了很強的SPP耦合，提高了半導體中光生載流子轉變成輻射更快的SPP模式的比例，促進了激子-SPP的耦合極化，該器件的性能因此得到了大幅改善。

基于InGaN/GaN（Al-GaN/GaN）納米線/SiO2/Ag（Al）SPP激光結構示意圖及激光光譜

基于鈣鈦礦的SPP MIS波導激光器

Ⅱ-Ⅵ、Ⅲ-Ⅴ半導體材料均是通過氣相沉積法制備得到的，該工藝相對復雜、成本較高。而鈣鈦礦材料可通過溶液法制備，成本相對較低。用于SPP MIS波導激光器的鈣鈦礦材料主要包括MAPbX3（X為I、Br、Cl）、CsPbX3（X為I、Br、Cl），這些材料在寬光譜范圍內具有吸收系數高、光致發光量子產率高、缺陷態密度低、俄歇復合速率低等良好的光學性能。研究者們以鈣鈦礦為增益介質材料，研發出了低閾值、高品質因子的SPP MIS波導激光器。例如，2018年，哈爾濱工業大學肖淑敏團隊制備出了MAPbX3基納米片SPP MIS波導激光器，其納米片位于加載了SiO2的Au膜上，成功地實現了發光峰位可來回調整100 nm以上的SPP MIS波導激光器。

基于MAPbI3/SiO2/Au SPP激光結構示意圖及激光光譜

目前，SPP MIS波導激光器已經在突破衍射極限、實現激光器小型化、降低激光器閾值等方面取得了顯著成果，然而，SPP MIS波導激光器在機理、材料、結構、電泵浦等方面仍面臨著一些新的挑戰。

隨著半導體集成電路發展趨勢呈指數型增長，電子器件也在摩爾定律的驅動下朝著微型化的方向發展，SPP MIS波導激光器將突破衍射極限，使得該激光器光源的物理尺寸與電子器件的大小不相上下，因此以納米激光為光源的芯片光互聯技術有助于填補半導體領域的空白。在SPP MIS波導激光器的探索中，更低閾值、更小型化的激光器一直是科學家們不斷追求的更高目標。在未來，如何將SPP MIS波導激光器應用在生物傳感、信息傳輸、數據存儲等方面，將是科學家們探索的另一個熱點和重點。

審核編輯：劉清