《Laser & Photonics Reviews》：Experimental Demonstration of Plasmon-Enabled Monolithic Bragg Reflectors for Infrared Light via Inverse Design
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高反射率镜面在中红外（MIR）范围内对下一代光电器件至关重要，但仍受限于传统分布式布拉格反射镜（DBR）中厚多合金叠层的应变积累、较差热导率和生长不稳定性。基于先前提出的等离子体增强型DBR（PE DBR）概念，研究人员展示了基于调制掺杂单块InP的逆向设计P
高反射率镜面在中红外（MIR）范围内对下一代光电器件至关重要，但仍受限于传统分布式布拉格反射镜（DBR）中厚多合金叠层的应变积累、较差热导率和生长不稳定性。基于先前提出的等离子体增强型DBR（PE DBR）概念，研究人员展示了基于调制掺杂单块InP的逆向设计PE DBR，其中高掺杂层中的等离子体色散提供了布拉格反射所需的强折射率对比。通过采用针对降低自由载流子吸收和最大化反射率优化的逆向设计，研究人员表明PE DBR的反射率随层对数增加逐渐趋近于1。实验生长的14 μm厚InP PE DBR展现出高达99%的反射率，带宽达到设计波长的18%。这种单块无结构型提供低电阻率，并有望减少与合金无序和异质界面相关的热限制，为MIR光子学中的高效等离子体镜面提供了一个可扩展的平台，潜在应用包括光电探测器、发光二极管和激光器。
论文解读文章
一、研究背景与问题
中红外（MIR）光电子器件在热成像、自由空间通信、人眼安全激光雷达系统以及有毒气体检测等领域具有重要应用价值。在这些应用中，平面反射器起着关键作用，能够提升激光器、谐振腔发光二极管（RC LED）和谐振腔光电探测器（RC PD）的品质因子，并在发光二极管（LED）中引导光线、在光电探测器中实现光回收。传统的平面高反射率反射器通常采用分布式布拉格反射镜（DBR），由多个半波长光学厚度的周期组成。然而，传统DBR面临若干挑战：不同折射率材料之间的导带偏移会在界面处形成肖特基势垒，阻碍电流流动；层间界面会因声子色散改变和声子散射而降低热导率；半导体基DBR的外延生长常因材料晶格常数不匹配而面临技术难题，即使晶格匹配的材料，在MIR波段所需的总厚度也可能超过临界厚度，导致缺陷和机械不稳定性。此外，介电材料构成的DBR虽不受晶格匹配约束，但存在高热阻和缺乏导电性的局限。因此，亟需一种能够克服上述限制的新型高反射率镜面结构。
二、研究内容与结论
为应对上述挑战，研究人员提出并实验验证了一种基于调制掺杂单块InP的逆向设计等离子体增强型DBR（PE DBR）。该结构利用高掺杂层中自由载流子的集体振荡（等离子体效应）引起显著的复折射率变化，从而在单一半导体材料内部实现布拉格反射所需的光学对比。研究人员通过逆向设计优化，将目标光学响应——即最大化反射率和最小化吸收——作为首要定义，随后迭代优化结构的几何参数以实现该目标。数值模拟表明，由50对未掺杂和高掺杂（约1×101? cm?3）层组成的均匀PE DBR（U-PE DBR）在波长大于5 μm时可实现超过99%的反射率，剩余损耗主要源于自由载流子吸收。进一步引入非均匀PE DBR（NU-PE DBR）设计，独立优化每一层的厚度，可将吸收降低超过20%，使50对镜面的反射率接近99.2%–99.4%。实验方面，研究人员利用低压金属有机气相外延（LP MOCVD）技术生长了三个分别针对5 μm、7 μm和9 μm中心波长的NU-PE DBR样品，总厚度约为14 μm。傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征显示峰值反射率达到93%–99%，半高全宽（FWHM）带宽为设计波长的11%–18%。这一单块无结结构消除了传统多合金DBR中固有的晶格和热膨胀失配，预期可改善高温运行下的热机械鲁棒性，为高温MIR光子器件提供了一条有前景的路径。
三、关键技术方法
- 1.
平面波导纳法：用于计算PE DBR中的光学功率反射率和光分布。
- 2.
多维Nelder-Mead单纯形算法：结合反射率计算进行逆向设计优化，以最大化反射率和最小化吸收。
- 3.
低压金属有机气相外延（LP MOCVD）系统：由AIXTRON公司生产，配备CCS 3×2英寸FT反应器，用于交替生长n??InP:Si和未掺杂InP层。生长速率稳定在0.55–0.65 nm/s范围内，掺杂浓度设定为约1×101? cm?3。
- 4.
原位反射率监测系统（EpiTT LayTec）：用于实时监控生长过程中的反射率变化，精确测定各层厚度。
- 5.
二次离子质谱（SIMS）和扫描电容显微镜（SCM）：用于表征掺杂剂分布和电活性掺杂剂剖面。
- 6.
傅里叶变换红外光谱（FTIR）：以商用金镜为参考，在13°入射角下测量样品的反射光谱。
四、研究结果
1. 高掺杂均匀层的反射特性
研究人员基于Drude模型分析了InP复折射率随载流子浓度的变化规律。结果表明，在MIR范围，高掺杂层中自由载流子引起的等离子体效应导致实部折射率显著降低，虚部大幅增加。对于无限厚的高掺杂InP层，当波长远超等离子体共振波长（λ?）时，反射率可超过90%并饱和于约95%；但在λ?以下，反射率低于未掺杂InP的菲涅耳反射水平。
2. 数值优化
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U-PE DBR优化：以传统四分之一波长设计为起点，优化25对U-PE DBR在5 μm、7 μm和9 μm波长处的反射率，分别达到98.37%、98.62%和98.72%。优化主要通过减薄高掺杂层并将其移至驻波节点附近来实现。
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NU-PE DBR优化：以U-PE DBR为起点，独立优化每一层的厚度。结果显示，高掺杂层在光场强度最高的初始段最薄，随后逐对增厚，而未掺杂层则相应减薄。NU-PE DBR相比U-PE DBR可降低近25%的总吸收，且其反射率随对数增加呈幂律增长而非饱和趋势。
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与传统DBR对比：当总厚度超过10 μm时，NU-PE DBR的反射率几乎与波长无关，特别适用于长波长应用；而传统DBR虽反射率上升更陡，但受晶格失配导致的应变和缺陷限制难以实现厚层结构。
3. 实验表征
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外延生长与原位监测：利用LP MOCVD成功生长了三个NU-PE DBR样品。原位反射率监测显示，尽管总厚度达14 μm，表面质量在整个生长过程中保持稳定，证实同质外延模式下总厚度不构成限制。
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掺杂剖面分析：SIMS显示预期的掺杂离子分布具有锐利界面，而SCM揭示的电活性掺杂剂剖面呈现较平滑的过渡，可能与部分掺杂剂激活或补偿效应有关。
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光学性能：FTIR测量获得的反射光谱与数值模拟定性定量一致，峰值反射率在93%–99%之间。对于9 μm设计的样品，实测反射率比理论值低约5%，归因于非故意本底掺杂、高掺杂浓度控制不完美、载流子扩散进入名义未掺杂区、层厚偏差以及参考金镜绝对反射率的校准不确定性等因素。
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红外成像：使用两种不同波段的红外相机对NU-PE DBR进行成像，反射信号强度与各DBR的反射光谱及相机灵敏度范围的重叠程度相符。
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电学特性：传输线测量（TLM）测得PE DBR堆栈的垂直电阻率为1.1×10?2 Ω·cm2，介于高掺杂n型InP和未掺杂InP的典型值之间，且低于传统砷化物基和磷化物基DBR的报道值。该无结同质外延构型避免了异质界面处的能带不连续性和电子散射。
五、讨论与结论
研究人员通过逆向设计成功演示了一种基于调制掺杂同质外延InP的等离子体增强型DBR架构。数值模拟结合逆向设计优化表明，由50对未掺杂和高掺杂层组成的U-PE DBR在波长大于5 μm时可实现超过99%的反射率，剩余损耗主要源于自由载流子吸收。通过NU-PE DBR设计可进一步降低吸收超过20%，使反射率接近99.2%–99.4%。实验制备的三个NU-PE DBR样品在FTIR表征中获得了93%–99%的峰值反射率和11%–18%的设计波长带宽，与数值模拟定性定量吻合。电学表征确认了无结同质外延构型的预期行为，且原则上可通过向原本未掺杂层引入低水平载流子掺杂来调节电导率，同时几乎不影响折射率对比度，从而保持高反射率。与传统低吸收DBR不同，PE DBR中未被反射的部分包含高掺杂层中自由载流子吸收的重要贡献，导致1-R随对数减少呈幂律函数下降而非指数衰减。PE DBR的关键优势在于能够通过自由载流子浓度调控半导体的复折射率，为所有半导体材料提供了一个多功能平台，可用于激光器、光学滤波器和调制器等高性能光电器件的设计与制造。此外，由于整个PE DBR结构基于同质外延单块InP平台，避免了传统多合金DBR堆栈中的晶格和热膨胀失配，这种无应变构型预期可改善高温运行下的热机械鲁棒性，配合适当的表面钝化抑制磷脱附，为高温MIR光子器件提供了一条有前景的发展路线。
