量子级联激光器，量子级联激光器已被证明是中红外范围内许多化学传感应用的重要元件。qcl已经在室温下实现了连续波操作。随着qcl商业应用的增加，生产可靠和低成本的器件变得非常重要。实现这一目标的一项重要工作是通过金属有机化学气相沉积MOCVD制造QCL器件，因为该技术已经在工业上广泛建立了大批量生产可靠的带间半导体激光器的平台。
金属有机化学气相沉积制备室温连续波工作低阈值量子级联激光器
通过分子束外延MBE和MOCVD两种方法生长的量子微电子管的室温连续工作结果令人鼓舞，但进一步的性能有望使量子微电子管更适合实际应用系统。在所有需要改进的器件参数中，特别需要更低的阈值电流密度，因为它可以使器件消耗更少的总功率，并有可能提高壁插效率。
我们报告了5.07 um的mocvd生长QC激光器，具有BH再生结构和下行安装，其室温连续波阈值电流密度低于所有这些先前报道的结果。本文提出的QCL结构是通过低压MOCVD生长的。有源区域结构与文献中报道的设计非常相似，但对波导结构进行了一些修改，如下所述。一个周期的层序为：从注入层阻挡层厚度开始，以纳米为单位：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层以正字体打印，Ga0.33In0.67As层以斜体字体交替打印。所有层都生长在n掺杂Si， 21017 cm−3 InP衬底上。活性区有30个活性/注入器堆栈，平均掺杂从原来的21016 cm - 3减少到标称的1.61016 cm - 3。InGaAs波导层的厚度从0.3增加到0.4 um， InGaAs波导层中的掺杂水平从81016降低到5 1016 cm−3。包层由2.5 um的InP（掺杂斜坡为51016 ~ 11017 cm−3）、0.5 m厚的InP等离子体增强约束层和重掺杂InGaAs接触层组成。这与原包层设计的2 um掺杂范围为11017 ~ 3 1017 cm−3的InP加上1 um重掺杂的InGaAs帽层进行了比较。
图1
经过深入的生长条件优化，可以从这些器件结构表征中证明良好的材料质量。在图1中，实验和模拟给出了30周期应变平衡QCL的延迟X射线004衍射曲线。大量尖细的卫星峰的出现表明晶体的界面质量优良。第0个峰与InP衬底峰非常接近，模拟结果与实验结果吻合较好。这两条曲线几乎相同，表明在整个30周期的层序列中，层厚度、材料成分和界面切换具有良好的均匀性和精确的控制。图2所示的电发光结果进一步证实了晶体的质量。在20 meV半等处的窄全宽表明，QCL结构的背景杂质水平低，异质结界面光滑
图2
然后将生长的结构加工成埋藏异质结构激光器。通过光刻确定了7.5 um的脊宽，并使用标准Br2 /HBr基溶液湿法蚀刻通过活性区。通过MOCVD选择性再生，一层掺杂了Fe的厚InP在脊周围生长，作为电隔离层，也增强了从有源区域的侧向散热扫描电镜检测结果表明，再生的InP:Fe隔离层与边壁之间的界面光滑，无生长缺陷。Fe掺杂量选择在21017 cm−3以上，但低于沉淀浓度。合并的铁原子充当深层电子陷阱，因此在再生的InP:Fe层中基本上没有自由电子，导致激光脊周围的绝缘但光学透明的区域。
图3
然后用电子束蒸发的Ti/Pt/Au顶部接触金属，然后是5 um厚的电镀Au层，并减薄到约100 um的总厚度。采用电子束Ni/Ge/Au金属作为衬底接触层，将加工后的晶圆切割成条状和片状。zui后，激光芯片被安装在一个铜底座上，以达到良好的散热效果。
输出功率和施加电压对电流L-I/V-I特性是通过将安装的器件放置在温控台上获得的。光功率是通过直接将器件靠近大面积校准的热电堆探测器来测量的。用傅里叶变换红外光谱仪进行光谱分析。5 mm长，7.5 um宽器件的LIV曲线如图3所示，激光光谱如插图所示。该装置发射波长为5.07 um的光.
图4
从293 K左右的cw操作中。连续波总光输出功率180 mW获得了在273 K,阈值电流密度为0.692 kA / cm2,和斜率效率/发电能力为1542兆瓦,114兆瓦时的总光输出功率得到了在288 K的阈值电流密度0.755 kA / cm2,斜率效率1079 mW /,和一个阈值电流密度0.83 kA / cm2,斜率效率879 mW /,和总输出功率74兆瓦的实现在298 K cw操作演示了303 K的温度,总光功率为45 mW，斜率效率为612 mW/ a。在303 K时，阈值电流密度仍然只有0.874 kA/cm2。
Jth随测试温度的变化曲线拟合为Jth=J0 exp T/T0的经验指数函数。拟合结果J0= 0.08 kA/cm2，接近文献中使用MBE生长构建的类似QCL的0.07 kA/cm2，并且cw操作的特征温度T0 = 129 K高于文献中报道的95 K。图4给出了在300k脉冲模式下测量的阈值电流密度与腔长倒数的关系。与脊波导器件相比，采用InP:Fe封装的BH器件在介电介质或金属薄膜的横向光损耗都较低。此外，光滑的再生界面表明，在本工作中，器件的侧壁散射损失Min。
大多数情况下，我们将器件中较低的内部损耗值与有源区、InGaAs波导层和包层区域中较低的掺杂水平联系起来，从而导致较低的自由载流子吸收，这通常是QCL器件中大部分波导损耗的原因。在这种相对较低的掺杂水平下，由于缺乏非常精确的校准工具，可能很难将不同基团之间的掺杂水平相关联，因此估计活性区掺杂水平的一种方便方法是比较QCL结构中的Max隧道电流，因为它与注入器中的掺杂水平成正比实际上，在本研究中，Max隧穿电流密度约为1.35 kA/cm2，表明本研究中结构的掺杂水平要低得多；这与本文文献12中的3.8 cm−1和1.84 cm−1的内部损耗是一致的——遗憾的是，文献中没有光损耗报告。zui终，较低的光损耗导致室温连续波阈值电流密度较低，约为0.83 kA/cm2，而相关文献分别为1.53 kA/cm2和1.71 kA/cm2。我们将阈值电流密度的降低不仅归因于注入器掺杂水平的降低，还归因于上文所讨论的波导结构的修改。后者已被证明对器件性能有显著影响在这项工作中使用的较长的空腔长度及其对散热的帮助也将降低连续波工作阈值电流密度。逐项列出各因素的贡献被证明是一项复杂的工作，将在未来进行研究。zui后，较低的Max隧道电流密度也将限制可实现的Max输出功率。所以需要在低阈值电流密度，Max功率，可能还有不同应用的Max工作温度之间进行权衡。
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