量子級聯(lián)激光器扛禽，量子級聯(lián)激光器已被證明是中紅外范圍內(nèi)許多化學(xué)傳感應(yīng)用的重要元件锋边。qcl已經(jīng)在室溫下實現(xiàn)了連續(xù)波操作。隨著qcl商業(yè)應(yīng)用的增加豆巨，生產(chǎn)可靠和低成本的器件變得非常重要。實現(xiàn)這一目標(biāo)的一項重要工作是通過金屬有機化學(xué)氣相沉積MOCVD制造QCL器件掐场，因為該技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)上廣泛建立了大批量生產(chǎn)可靠的帶間半導(dǎo)體激光器的平臺往扔。
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金屬有機化學(xué)氣相沉積制備室溫連續(xù)波工作低閾值量子級聯(lián)激光器
通過分子束外延MBE和MOCVD兩種方法生長的量子微電子管的室溫連續(xù)工作結(jié)果令人鼓舞萍膛，但進(jìn)一步的性能有望使量子微電子管更適合實際應(yīng)用系統(tǒng)嚷堡。在所有需要改進(jìn)的器件參數(shù)中蝗罗，特別需要更低的閾值電流密度，因為它可以使器件消耗更少的總功率蝌戒，并有可能提高壁插效率串塑。
我們報告了5.07 um的mocvd生長QC激光器北苟，具有BH再生結(jié)構(gòu)和下行安裝桩匪，其室溫連續(xù)波閾值電流密度低于所有這些先前報道的結(jié)果。本文提出的QCL結(jié)構(gòu)是通過低壓MOCVD生長的友鼻。有源區(qū)域結(jié)構(gòu)與文獻(xiàn)中報道的設(shè)計非常相似，但對波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一些修改彩扔，如下所述屋匕。一個周期的層序為：從注入層阻擋層厚度開始，以納米為單位：4.0/1.26/ 1.3/ 4.40/ 1.3/3.87/ 1.4/3.72/ 2.3/2.88/ 1.8/2.58/ 1.9/2.29/ 2.0/ 2.19/ 2.2/2.09/ 2.2/1.86/ 2.9/1.86,Al0.64In0.36As層以正字體打印借杰，Ga0.33In0.67As層以斜體字體交替打印。所有層都生長在n摻雜Si进泼， 21017 cm?3 InP襯底上蔗衡∠怂洌活性區(qū)有30個活性/注入器堆棧，平均摻雜從原來的21016 cm - 3減少到標(biāo)稱的1.61016 cm - 3逼纸。InGaAs波導(dǎo)層的厚度從0.3增加到0.4 um， InGaAs波導(dǎo)層中的摻雜水平從81016降低到5 1016 cm?3济蝉。包層由2.5 um的InP（摻雜斜坡為51016 ~ 11017 cm?3）杰刽、0.5 m厚的InP等離子體增強約束層和重?fù)诫sInGaAs接觸層組成。這與原包層設(shè)計的2 um摻雜范圍為11017 ~ 3 1017 cm?3的InP加上1 um重?fù)诫s的InGaAs帽層進(jìn)行了比較王滤。
圖1
經(jīng)過深入的生長條件優(yōu)化贺嫂，可以從這些器件結(jié)構(gòu)表征中證明良好的材料質(zhì)量。在圖1中雁乡，實驗和模擬給出了30周期應(yīng)變平衡QCL的延遲X射線004衍射曲線第喳。大量尖細(xì)的衛(wèi)星峰的出現(xiàn)表明晶體的界面質(zhì)量優(yōu)良踱稍。第0個峰與InP襯底峰非常接近曲饱，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好。這兩條曲線幾乎相同珠月，表明在整個30周期的層序列中，層厚度啤挎、材料成分和界面切換具有良好的均勻性和精確的控制驻谆。圖2所示的電發(fā)光結(jié)果進(jìn)一步證實了晶體的質(zhì)量。在20 meV半等處的窄全寬表明侵浸，QCL結(jié)構(gòu)的背景雜質(zhì)水平低旺韭，異質(zhì)結(jié)界面光滑
圖2
然后將生長的結(jié)構(gòu)加工成埋藏異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光器。通過光刻確定了7.5 um的脊寬掏觉，并使用標(biāo)準(zhǔn)Br2 /HBr基溶液濕法蝕刻通過活性區(qū)区端。通過MOCVD選擇性再生澳腹，一層摻雜了Fe的厚InP在脊周圍生長织盼，作為電隔離層，也增強了從有源區(qū)域的側(cè)向散熱掃描電鏡檢測結(jié)果表明酱塔，再生的InP:Fe隔離層與邊壁之間的界面光滑沥邻，無生長缺陷羊娃。Fe摻雜量選擇在21017 cm?3以上唐全，但低于沉淀濃度。合并的鐵原子充當(dāng)深層電子陷阱，因此在再生的InP:Fe層中基本上沒有自由電子邮利，導(dǎo)致激光脊周圍的絕緣但光學(xué)透明的區(qū)域。
圖3
然后用電子束蒸發(fā)的Ti/Pt/Au頂部接觸金屬延届，然后是5 um厚的電鍍Au層剪勿，并減薄到約100 um的總厚度。采用電子束Ni/Ge/Au金屬作為襯底接觸層方庭，將加工后的晶圓切割成條狀和片狀厕吉。zui后，激光芯片被安裝在一個銅底座上械念，以達(dá)到良好的散熱效果头朱。
輸出功率和施加電壓對電流L-I/V-I特性是通過將安裝的器件放置在溫控臺上獲得的。光功率是通過直接將器件靠近大面積校準(zhǔn)的熱電堆探測器來測量的髓窜。用傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行光譜分析。5 mm長欺殿，7.5 um寬器件的LIV曲線如圖3所示寄纵，激光光譜如插圖所示。該裝置發(fā)射波長為5.07 um的光.
圖4
從293 K左右的cw操作中脖苏。連續(xù)波總光輸出功率180 mW獲得了在273 K,閾值電流密度為0.692 kA / cm2,和斜率效率/發(fā)電能力為1542兆瓦,114兆瓦時的總光輸出功率得到了在288 K的閾值電流密度0.755 kA / cm2,斜率效率1079 mW /,和一個閾值電流密度0.83 kA / cm2,斜率效率879 mW /,和總輸出功率74兆瓦的實現(xiàn)在298 K cw操作演示了303 K的溫度,總光功率為45 mW程拭，斜率效率為612 mW/ a。在303 K時棍潘，閾值電流密度仍然只有0.874 kA/cm2。
Jth隨測試溫度的變化曲線擬合為Jth=J0 exp T/T0的經(jīng)驗指數(shù)函數(shù)亦歉。擬合結(jié)果J0= 0.08 kA/cm2恤浪，接近文獻(xiàn)中使用MBE生長構(gòu)建的類似QCL的0.07 kA/cm2，并且cw操作的特征溫度T0 = 129 K高于文獻(xiàn)中報道的95 K肴楷。圖4給出了在300k脈沖模式下測量的閾值電流密度與腔長倒數(shù)的關(guān)系水由。與脊波導(dǎo)器件相比，采用InP:Fe封裝的BH器件在介電介質(zhì)或金屬薄膜的橫向光損耗都較低赛蔫。此外砂客，光滑的再生界面表明，在本工作中鞠值，器件的側(cè)壁散射損失Min。
大多數(shù)情況下渗钉，我們將器件中較低的內(nèi)部損耗值與有源區(qū)犀农、InGaAs波導(dǎo)層和包層區(qū)域中較低的摻雜水平聯(lián)系起來，從而導(dǎo)致較低的自由載流子吸收，這通常是QCL器件中大部分波導(dǎo)損耗的原因。在這種相對較低的摻雜水平下击你，由于缺乏非常精確的校準(zhǔn)工具，可能很難將不同基團(tuán)之間的摻雜水平相關(guān)聯(lián)，因此估計活性區(qū)摻雜水平的一種方便方法是比較QCL結(jié)構(gòu)中的Max隧道電流纲菌，因為它與注入器中的摻雜水平成正比實際上宝磨，在本研究中弧关，Max隧穿電流密度約為1.35 kA/cm2，表明本研究中結(jié)構(gòu)的摻雜水平要低得多唤锉；這與本文文獻(xiàn)12中的3.8 cm?1和1.84 cm?1的內(nèi)部損耗是一致的——遺憾的是世囊，文獻(xiàn)中沒有光損耗報告窿祥。zui終株憾，較低的光損耗導(dǎo)致室溫連續(xù)波閾值電流密度較低，約為0.83 kA/cm2晒衩，而相關(guān)文獻(xiàn)分別為1.53 kA/cm2和1.71 kA/cm2嗤瞎。我們將閾值電流密度的降低不僅歸因于注入器摻雜水平的降低听系，還歸因于上文所討論的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的修改贝奇。后者已被證明對器件性能有顯著影響在這項工作中使用的較長的空腔長度及其對散熱的幫助也將降低連續(xù)波工作閾值電流密度。逐項列出各因素的貢獻(xiàn)被證明是一項復(fù)雜的工作靠胜，將在未來進(jìn)行研究。zui后浪漠，較低的Max隧道電流密度也將限制可實現(xiàn)的Max輸出功率陕习。所以需要在低閾值電流密度，Max功率址愿，可能還有不同應(yīng)用的Max工作溫度之間進(jìn)行權(quán)衡该镣。
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