量子級(jí)聯(lián)激光器是一種很有前途的中紅外半導(dǎo)體光源撇眯，可用于環(huán)境傳感或醫(yī)療診斷等應(yīng)用中的分子檢測。對(duì)于這樣的應(yīng)用虱咧，研究人員一直在努力提高設(shè)備的性能熊榛。近年來，為了實(shí)現(xiàn)緊湊腕巡、便攜玄坦、節(jié)能和高功率的量子級(jí)聯(lián)激光系統(tǒng)，人們一直在追求提高壁插頭效率绘沉。然而煎楣，進(jìn)展很大程度上是漸進(jìn)式的，基本的量子設(shè)計(jì)多年來一直保持不變车伞，墻壁插頭效率尚未達(dá)到35%以上择懂。影響量子級(jí)聯(lián)激光性能的一個(gè)關(guān)鍵因素是電子在激光有源區(qū)的有效輸運(yùn)。
高能效量子級(jí)聯(lián)激光器
量子級(jí)聯(lián)激光器（qcl）是基于半導(dǎo)體量子阱的子帶間躍遷。當(dāng)電子從前面的注入?yún)^(qū)進(jìn)入活躍區(qū)日矫，在上下激光能級(jí)之間經(jīng)歷輻射躍遷赂弓，并隨后被提取到下一個(gè)下游注入?yún)^(qū)時(shí)，產(chǎn)生光子哪轿。電子從注入?yún)^(qū)進(jìn)入下一個(gè)活躍區(qū)是通過注入地能級(jí)和上激光能級(jí)之間的共振隧穿發(fā)生的盈魁。隧穿速率，以及許多其他性能相關(guān)參數(shù)窃诉，可以通過量子設(shè)計(jì)來設(shè)計(jì)杨耙，例如赤套，通過耦合強(qiáng)度的設(shè)計(jì)，耦合強(qiáng)度被定義為注入器地面能級(jí)和上激光能級(jí)在完全共振時(shí)能量分裂的一半珊膜。理論分析表明容握，快速隧穿速率是實(shí)現(xiàn)高激光壁塞效率（WPE）的關(guān)鍵因素。一方面车柠，隧穿速率越快剔氏，所能支持的Max工作電流密度就越高，因此電流效率（即激光器工作在高于閾值多遠(yuǎn)的地方）也就越高竹祷，這是影響WPE的重要因素谈跛。另一方面，更快的隧穿速率也有利于提高內(nèi)部效率和增益塑陵，因?yàn)樗鼫p少了注入器區(qū)域的電子居數(shù)感憾，從而使從注入器地能級(jí)到較低激光能級(jí)或連續(xù)能級(jí)的泄漏電流z小化，增加了居數(shù)反轉(zhuǎn)令花。
圖1
在實(shí)際的生長技術(shù)中阻桅，相鄰的半導(dǎo)體層之間的界面并不是完全光滑的，實(shí)際上在幾個(gè)
圖2
采用應(yīng)變平衡的In0.66Ga0.34As/Al0.69In0.31As材料冤今，通過金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）在InP襯底上生長了QCL結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由低損耗的InP基波導(dǎo)包層組成茂缚，包層位于43個(gè)重復(fù)的注入/活性區(qū)序列之上戏罢。每個(gè)注入?yún)^(qū)摻雜片密度為1*1011cm-1。采用傳統(tǒng)的III-V型半導(dǎo)體加工技術(shù)制備了脊寬為13.5 ~ 21.5 mm的脊波導(dǎo)激光器脚囊。采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法（PECVD）沉積0.3 mm的SiOx絕緣層龟糕，通過電子束蒸發(fā)沉積30 nm/300 nm的薄鈦金頂部金屬觸點(diǎn)，然后將襯底減薄至200 mm悔耘，并沉積20 nm/200 nm的鍺金底部金屬觸點(diǎn)讲岁。直徑為190 mm的圓形平臺(tái)樣品（用于電致發(fā)光和電子傳輸測量）由相同的晶圓使用類似的技術(shù)制造，除了不需要SiOx絕緣層。激光器的腔長從0.5到4.0 mm不等催首，并在銅散熱片的外延側(cè)安裝扶踊。此外，還制作了具有埋置異質(zhì)結(jié)構(gòu)波導(dǎo)和固定腔長1.9 mm的激光器郎任，在其背面涂覆高反射率涂層秧耗，并將外延面向上安裝。
圖3
圖2a顯示了臺(tái)面樣品在80k和300k下的電致發(fā)光光譜舶治。與預(yù)期相反分井，本設(shè)計(jì)中的超強(qiáng)耦合對(duì)增益譜寬沒有明顯的負(fù)面影響，如果有的話霉猛。輻射躍遷展寬與z佳可比常規(guī)設(shè)計(jì)相似尺锚。在非激光平臺(tái)樣品上的電子傳輸特性（電流-電壓特性）表征表明，與具有相似波長和片狀摻雜密度的典型高性能傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比惜浅，我們的超強(qiáng)耦合設(shè)計(jì)在大溫度范圍內(nèi)具有更高的Max工作電流密度和更低的差分電阻（補(bǔ)充圖S1）瘫辩。代表性激光光譜如圖2b所示；激光波長在低溫下為4.5 mm坛悉，在室溫下為4.7 mm伐厌。
圖4
激光表征結(jié)果表明，與目前報(bào)道的在相似波長和工作條件下的z佳qcl相比裸影，該激光器在寬溫度范圍內(nèi)的斜率效率挣轨、峰值功率和WPE均有顯著提高。對(duì)于脈沖模式工作（5 kHz重復(fù)率轩猩，100 ns脈沖寬度）卷扮，性能非常好的激光器之一（13.6 mm寬，2.9 mm長脊）的斜率效率為8WA均践，峰值光輸出功率至少為10.0 W（圖3a）晤锹， 80 K時(shí)的峰值WPE為47%（圖3b）。在9 K時(shí)彤委，WPE進(jìn)一步增加到0.48%抖甘。如果考慮到從電源到激光器測量的0.35 V接線電阻，則激光在9 K時(shí)達(dá)到50% WPE葫慎。即使在200k時(shí)衔彻，峰值WPE仍然是35%。圖4顯示了所有測試激光器在80k時(shí)的峰值WPE散點(diǎn)圖偷办，空腔長度從2.3到3.0 mm不等艰额。在此空腔長度范圍內(nèi)的大多數(shù)測試器件在80k時(shí)的峰值WPE大于40%，并且有幾個(gè)器件的峰值WPE大于45%（此圖未對(duì)接線電阻進(jìn)行校正）椒涯。與報(bào)道的z佳結(jié)果相比柄沮，這些結(jié)果有了顯著的改進(jìn)，并且超過了常規(guī)qcl通常預(yù)測的WPE極限。從“1/L”測量中提取出1.5 cm21的低波導(dǎo)損耗祖搓，這也有助于實(shí)現(xiàn)高激光WPE狱意。該設(shè)計(jì)的兩個(gè)優(yōu)勢特點(diǎn)，即大大提高了Max電流密度和相對(duì)較高的斜率效率拯欧，在高溫下保持不變详囤。從9到160 K，斜率效率下降了5%镐作，在160到300 K的溫度范圍內(nèi)藏姐，提取的斜率效率特征溫度T1為330 K，而在傳統(tǒng)的qcl中该贾，在相同的溫度范圍內(nèi)羔杨，T1通常低于300 K。從閾值電流密度與溫度特性中提取出125 K的特征溫度T0杨蛋。這一低于理想值主要是由于這種特殊設(shè)計(jì)的注入器中使用的低雙lo聲子電壓缺陷兜材，這有利于低溫操作，限制了激光閾值性能和高溫下的WPE逞力。
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圖5
該激光器還具有在低溫下連續(xù)波（c.w.）模式工作的特點(diǎn)曙寡。圖3所示激光器在30k和80k時(shí)的峰值c.w.功率分別至少為6.0 W和4.5 W（圖5a）。在30 K和80 K下掏击，c.w WPE的Max值分別為32%和28%（圖5b）。然而秩铆，它們明顯低于相同溫度下相應(yīng)的脈沖結(jié)果砚亭。這在很大程度上是由于缺乏有效的散熱機(jī)制，因?yàn)檫@些激光器不是為c.w.操作而制造和包裝的殴玛。對(duì)背面高反射率涂層埋地異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光器的表征表明捅膘，在Max可用輸出功率、Max工作溫度和WPE方面滚粟，激光器的c.w.性能得到了改善（補(bǔ)充圖S3）寻仗。
總之，已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了一種新的QCL設(shè)計(jì)凡壤，該設(shè)計(jì)使用了注入器和活性區(qū)域之間的超強(qiáng)耦合署尤。這種新設(shè)計(jì)克服了注入器地能級(jí)和上激光能級(jí)之間的界面粗糙度引起的共振隧道失諧，更有效地促進(jìn)了電子在量子級(jí)聯(lián)中的傳輸亚侠，從而大大提高了量子級(jí)聯(lián)的性能曹体，如功率、斜率效率硝烂，特別是WPE箕别。實(shí)驗(yàn)證明了前所未有的50% WPE。
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