研究背景

量子級聯(lián)激光器（QCL）是一種基于單極性載流子躍遷的紅外半導(dǎo)體激光器，其發(fā)光機(jī)制源于電子在量子級聯(lián)結(jié)構(gòu)子帶間的躍遷。這種激光器憑借其獨特的發(fā)光波長覆蓋中遠(yuǎn)紅外波段的特性，在痕量氣體檢測、自由空間光通信、紅外對抗等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

長期以來，分子束外延（MBE）技術(shù)憑借其在生長參數(shù)控制精度和界面陡峭度方面的優(yōu)勢，成為QCL生長的技術(shù)。2020年，國外研究團(tuán)隊基于MBE技術(shù)制備的QCL單管器件達(dá)到了室溫連續(xù)輸出功率5.6 W的業(yè)界高水平。然而，MBE技術(shù)受限于高昂的成本和較低的生長效率，難以實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

相比之下，金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)具有成本低、生長效率高的優(yōu)勢，是一種有望實現(xiàn)QCL大規(guī)模生產(chǎn)的技術(shù)，但其在材料生長參數(shù)控制精度和界面陡峭度方面稍顯不足，性能一直落后于MBE技術(shù)。

創(chuàng)新工作

面對這一挑戰(zhàn)，國防科技大學(xué)半導(dǎo)體激光團(tuán)隊創(chuàng)新性地采用MOCVD技術(shù)實現(xiàn)了QCL全外延結(jié)構(gòu)的生長；通過原位監(jiān)測、無損測試和破壞性測試等方法，對外延材料的質(zhì)量進(jìn)行了全面評估（圖1）。

圖1 使用MOCVD生長的QCL外延結(jié)構(gòu)表征結(jié)果

研究結(jié)果顯示，外延材料具有光滑的表面和陡峭的異質(zhì)界面，其中，原位監(jiān)測可以清晰辨別出材料生長導(dǎo)致的反射率周期性波動，以及每一層InGaAs和InAlAs材料所對應(yīng)的反射率區(qū)間。高分辨率X射線衍射衛(wèi)星峰的半峰全寬低至14"，原子力顯微鏡測得表面均方根粗糙度低至0.18 nm；這些結(jié)果表明，外延材料具有較為陡峭的異質(zhì)界面和極高的表面平整性。

腔長為10 mm、脊寬為6 μm的器件，其室溫連續(xù)出光功率達(dá)到4.0 W，最高電光轉(zhuǎn)換效率為15.3%。腔長為10 mm、脊寬為12 μm的器件，其室溫連續(xù)出光功率達(dá)到6.3 W，最高電光轉(zhuǎn)換效率為15.3%，是截至目前已報道的單脊量子級聯(lián)激光器出光功率的最高世界紀(jì)錄水平。

圖2 不同腔長、脊寬器件的連續(xù)出光功率-電流-電壓、電光效率的測試曲線

為解決單芯片功率受限的問題，研究團(tuán)隊進(jìn)一步采用空間合束技術(shù)，將多個芯片集成封裝為高功率模塊。由7個芯片組成的M7模塊在0.8 A工作電流時，室溫連續(xù)出光功率和電光轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到了9.3 W和12.2%。由19個芯片組成的M19模塊在1.0 A工作電流時，室溫連續(xù)出光功率和電光轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到了22.4 W和7.8%，這也是已報道的中波量子級聯(lián)激光模塊出光功率的高記錄水平。

團(tuán)隊還對M7模塊進(jìn)行了嚴(yán)格的壽命測試，三個模塊的無失效時間分別達(dá)到2045小時、963小時和761小時，且在整個測試期間出光功率均未出現(xiàn)衰減（圖3）。

圖3 量子級聯(lián)M7、M19模塊的測試曲線

后續(xù)工作

后續(xù)工作中，團(tuán)隊將繼續(xù)優(yōu)化材料生長和器件設(shè)計，進(jìn)一步提升MOCVD生長QCL的性能指標(biāo)；同時開發(fā)更高集成度的激光模塊，爭取在輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率方面實現(xiàn)新的突破，并積極探索在工業(yè)檢測、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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