中科院半导体所研制瓦级中波红外量子级联激光器
近日，中国科学院半导体研究所的研究人员在《光学学报》期刊上发表了题为“MOCVD生长的瓦级中波红外高功率量子级联激光器”的最新论文，报道了通过金属有机物化学气相沉积（MOCVD）技术生长的高性能瓦级中波红外量子级联激光器（QCL）。通过优化MOCVD生长条件，实现了高界面质量双声子共振结构材料生长，制备出室温连续（CW）功率最高为1.21W的4.6μm QCL。本研究工作对于提升QCL材料制备效率、推进QCL技术产业化应用具有重要意义。
基于子带间跃迁的QCL是中远红外波段理想的激光光源，通过精巧的能带结构设计可突破半导体材料本征带隙限制、实现波长拓展，是半导体激光器发展史上具有里程碑意义的器件，在红外光电对抗、环境检测、工业过程监测、自由空间通信等国民经济和国防安全众多领域具有迫切应用需求。
自QCL发明以来，材料制备主要以分子束外延（MBE）技术为主。随着MOCVD设备的不断发展，基于MOCVD技术的QCL研究也逐渐发展。虽然分MBE技术可以更好地控制界面以及层厚，从而实现高性能QCL，但是随着QCL的广泛使用，MBE技术由于超高真空操作工艺，生产效率低、成本高，限制了QCL的产业化应用推进。具有高效率特性、更适合于产业化的MOCVD技术是实现QCL材料高效制备的重要选择，基于MOCVD技术的高性能QCL研究对于推进QCL产业化发展具有重要意义。
基于此，本文报道了通过MOCVD生长的高性能中波红外QCL。通过MOCVD生长条件优化，获得了高界面质量应变补偿InGaAs/InAlAs/InP QCL材料，制备出室温CW功率最高为1.21W的4.6μm QCL。
材料外延与器件制备
使用Aixtron CCS 3×2″ MOCVD设备生长全结构，生长环境为低压（100mbar，1bar=0.1MPa）。III族前驱体是三甲基铟［TMIn，In(CH3)3］、三甲基镓［TMGa，Ga(CH3)3］、三甲基铝［TMAl，Al(CH3)3］和三乙基镓［TEGa，Ga(C2H5)3］，V 族前驱体是砷烷（AsH3）和磷化氢（PH3）。n 型掺杂剂前驱体是在氢气中平衡的稀释甲硅烷（SiH4）（浓度为0.02%）。QCL在N型InP衬底（Si，掺杂浓度为2×101?cm?3，即单位立方厘米体积内的原子数为2×101?）上生长。外延生长温度为600~700℃ 。QCL有源区的生长速率在0.1~0.5nm/s 之间，波导和盖层（N型掺杂的InP）的生长速率为0.3~0.8nm/s，生长过程中反应物质中的V族元素总物质的量与III族元素总物质的量之比约为100。
所生长材料有源区分别包括30级（样品1）和40级（样品2）应变补偿In0.668Ga0.332As/In0.361Al0.639As耦合量子阱结构。整个外延结构如下：3.0μm下包层（Si，单位立方厘米体积内的原子数为2.2×101?），30级或40级有源/注入区，其中有源区结构层厚为2.76/1.67/2.46/1.77/2.17/1.87/2.07/2.07/1.97/2.07/1.77/2.66/1.77/3.74/1.22/1.32/4.37/1.32/3.86/1.42/3.66/2.24，加粗数字为In0.362Al0.638As的层厚，不加粗数字为In0.668Ga0.332As的层厚。4μm（InP）上覆层（Si，单位立方厘米体积内的原子数为2.2×101?）和0.6μm覆盖层（Si，单位立方厘米体积内的原子数为5×101?）
为表征材料的光电特性，外延晶片被制作成双沟波导器件，图1（a）展示了所制备器件结构的二维示意图。图1（b）是样品1的器件在高倍光学显微镜下的横截面图。
图1 样品器件的结构模型及实际测试的结构。（a）器件结构的二维示意图；（b）样品1在高倍光学显微镜下的结构
器件性能测试
图2（a）是所制备器件测得的功率P、电压V随电流I变化的曲线（P-I-V曲线），30和40级有源区材料所制备的器件的283K CW的最高输出功率分别为1.02W和1.21W，成功实现室温连续输出功率超过瓦级。高功率是QCL进行实际应用的重要技术指标，本研究工作是国内首次基于MOCVD技术制备出瓦级功率输出的中波红外QCL材料和器件，对于推进QCL技术产业化应用具有重要意义。图2（b）是利用傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）测试的样品1和样品2的激射谱，FTIR在快速扫描模式下以0.125cm?1的分辨率进行测试，样品1和样品2的激射波长均约在4.6μm，说明生长中组分和层厚差异不大，器件性能差异与设备生长参数漂移关系不大。图2（b）插图是利用光束分析仪测试的样品1脉冲模式工作下的光斑图像，横模是影响QCL实际应用的另一个特性，通过将光束分析仪放置在距离准直芯片20cm处，可以清楚地观察到基横模（TM00），这种TM00光束更适用于实际应用。
图2 样品1和样品2在CW模式下的P-I-V曲线及略高于阈值的光谱。
（a）不同生长级数镀膜器件在283K CW模式下的P-I-V曲线；
（b）样品1和样品2的电流略高于阈值的光谱（插图是样品1在室温脉冲模式下的光束图像）
为了进一步探究温度对器件的影响，分别测试了样品1和样品2制备器件在CW条件下不同温度的PI-V曲线。图3（a）显示样品1在CW模式下工作温度高达393K，输出功率仍有30mW，WPE为0.3%。但是样品2的高温特性表现得非常差，图3（b）展示当温控系统升温至333K时，器件的CW输出功率已经从1.21W（283K）降低到210mW，而30级器件在353K时仍具有300mW 的输出功率，这说明样品2相比样品1具有更严重的热积累效应，热反转效应非常明显，使得器件无法实现高温工作。
图3 样品1和样品2制备器件在CW模式下不同温度的P-I-V曲线。
（a）CW条件下样品1制备器件在不同温度下的P-I-V曲线；
（b）CW条件下样品2制备器件在不同温度下的P-I-V曲线
结论
报道了通过MOCVD生长的高性能中波红外QCL材料及器件。通过优化生长条件获得了高界面质量的应变补偿InGaAs/InAlAs/InP QCL结构，制备出室温下CW功率最高为1.21W的4.6μm QCL器件，国内首次基于MOCVD技术研制出输出功率超过瓦级的中波红外QCL。具体研究了生长的30和40级有源区材料所制备器件的性能，探究了不同级数对器件性能的影响。相比于30级有源区器件，40级有源区器件的单位面积等效输出功率没有明显提升，但器件性能随温度的升高迅速下降，这归因于更加显著的热积累效应和外延材料变厚导致的质量恶化，因此，在通过增加有源区周期数提升器件功率时，需要充分考虑有源级数、热积累和材料生长质量等因素之间的平衡。MOCVD是半导体材料产业界普遍采用的技术，本研究工作对于提升QCL材料的制备效率、推进QCL技术产业化应用具有重要意义。
