采用MOCVD技术实现连续波工作至408K的8.5μm高功率量子级联激光器

量子级联激光器（QCLs）是覆盖中红外到太赫兹区的紧凑而强大的光源，已被应用于各种科学和工业领域，如光学频率梳和气体传感。为了实现长距离传感和通信，需要高功率连续波工作的QCLs。分子束外延（MBE）目前被广泛用于生长QCL的有源区，因为它有两个主要特点：陡峭的界面和精确的层厚控制。然而，由于超高真空过程的原因，MBE技术生长的QCL产能低、成本高。金属有机物化学气相沉积（MOCVD）是另一种半导体材料高质量外延技术，具有产量高、成本低的特点，对于推动半导体材料和器件批量化应用方面具有明显优势，但将其应用于QCL外延生长时，界面控制存在巨大挑战。

中科院半导体研究所刘峰奇研究员课题组采用MOCVD 技术实现激射波长 8.5 μm的室温连续波输出功率大于1 W，达到国际领先水平，在以下几方面获得优异性能：(1) 在408 K高温下的连续输出功率达到 160 mW，这是国际上没有报道的最好指标，证实QCL具有很好的可靠性；(2) 由MOCVD技术制备的长波红外 QCL 的电光转化效率目前没有大于7%的报道，本文的效率为 7.1%；(3) 由MOCVD技术制备的高功率QCL阈值电流密度都比较高，本文报道的器件实现瓦级输出的同时实现了低的阈值电流密度（1.2 kA/cm²）。

图1. 右图为高分辨率XRD实验（蓝色曲线）和模拟（红色曲线）结果，左图为卫星衍射峰的局部放大图。

图2. 器件在连续波模式不同温度下的功率-电流-电压关系图。

文章的主要研究思路：(1) 通过优化生长技术，使QCL材料界面粗糙度为国际最好，几乎可以与MBE技术相当，从而保证激光器的有效增益，这是保证以上优异性能的关键；(2) 采用容错能力更高的“单声子共振-连续态”有源区设计思路。这项工作对MOCVD外延生长超薄层半导体材料研究提供了思路，相关成果对推进量子级联激光器的更广泛应用具有重要意义。

该工作近日发表在Journal of Semiconductors [Journal of Semiconductors, 2021, 42(11): 112301. doi: 10.1088/1674-4926/42/11/112301.]， 并作为封面文章进行了展示。工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市科技委项目、中科院重点项目等多个项目的支持。