量子级联激光器是一种很有前途的中红外半导体光源，可用于环境传感或医疗诊断等应用中的分子检测。对于这样的应用，研究人员一直在努力提高设备的性能。近年来，为了实现紧凑、便携、节能和高功率的量子级联激光系统，人们一直在追求提高壁插头效率。然而，进展很大程度上是渐进式的，基本的量子设计多年来一直保持不变，墙壁插头效率尚未达到35%以上。影响量子级联激光性能的一个关键因素是电子在激光有源区的有效输运。
高能效量子级联激光器
量子级联激光器（qcl）是基于半导体量子阱的子带间跃迁。当电子从前面的注入区进入活跃区，在上下激光能级之间经历辐射跃迁，并随后被提取到下一个下游注入区时，产生光子。电子从注入区进入下一个活跃区是通过注入地能级和上激光能级之间的共振隧穿发生的。隧穿速率，以及许多其他性能相关参数，可以通过量子设计来设计，例如，通过耦合强度的设计，耦合强度被定义为注入器地面能级和上激光能级在完全共振时能量分裂的一半。理论分析表明，快速隧穿速率是实现高激光壁塞效率（WPE）的关键因素。一方面，隧穿速率越快，所能支持的Max工作电流密度就越高，因此电流效率（即激光器工作在高于阈值多远的地方）也就越高，这是影响WPE的重要因素。另一方面，更快的隧穿速率也有利于提高内部效率和增益，因为它减少了注入器区域的电子居数，从而使从注入器地能级到较低激光能级或连续能级的泄漏电流z小化，增加了居数反转。
图1
在实际的生长技术中，相邻的半导体层之间的界面并不是完全光滑的，实际上在几个
图2
采用应变平衡的In0.66Ga0.34As/Al0.69In0.31As材料，通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）在InP衬底上生长了QCL结构，该结构由低损耗的InP基波导包层组成，包层位于43个重复的注入/活性区序列之上。每个注入区掺杂片密度为1*1011cm-1。采用传统的III-V型半导体加工技术制备了脊宽为13.5 ~ 21.5 mm的脊波导激光器。采用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）沉积0.3 mm的SiOx绝缘层，通过电子束蒸发沉积30 nm/300 nm的薄钛金顶部金属触点，然后将衬底减薄至200 mm，并沉积20 nm/200 nm的锗金底部金属触点。直径为190 mm的圆形平台样品（用于电致发光和电子传输测量）由相同的晶圆使用类似的技术制造，除了不需要SiOx绝缘层。激光器的腔长从0.5到4.0 mm不等，并在铜散热片的外延侧安装。此外，还制作了具有埋置异质结构波导和固定腔长1.9 mm的激光器，在其背面涂覆高反射率涂层，并将外延面向上安装。
图3
图2a显示了台面样品在80k和300k下的电致发光光谱。与预期相反，本设计中的超强耦合对增益谱宽没有明显的负面影响，如果有的话。辐射跃迁展宽与z佳可比常规设计相似。在非激光平台样品上的电子传输特性（电流-电压特性）表征表明，与具有相似波长和片状掺杂密度的典型高性能传统设计相比，我们的超强耦合设计在大温度范围内具有更高的Max工作电流密度和更低的差分电阻（补充图S1）。代表性激光光谱如图2b所示；激光波长在低温下为4.5 mm，在室温下为4.7 mm。
图4
激光表征结果表明，与目前报道的在相似波长和工作条件下的z佳qcl相比，该激光器在宽温度范围内的斜率效率、峰值功率和WPE均有显著提高。对于脉冲模式工作（5 kHz重复率，100 ns脉冲宽度），性能非常好的激光器之一（13.6 mm宽，2.9 mm长脊）的斜率效率为8WA，峰值光输出功率至少为10.0 W（图3a）， 80 K时的峰值WPE为47%（图3b）。在9 K时，WPE进一步增加到0.48%。如果考虑到从电源到激光器测量的0.35 V接线电阻，则激光在9 K时达到50% WPE。即使在200k时，峰值WPE仍然是35%。图4显示了所有测试激光器在80k时的峰值WPE散点图，空腔长度从2.3到3.0 mm不等。在此空腔长度范围内的大多数测试器件在80k时的峰值WPE大于40%，并且有几个器件的峰值WPE大于45%（此图未对接线电阻进行校正）。与报道的z佳结果相比，这些结果有了显著的改进，并且超过了常规qcl通常预测的WPE极限。从“1/L”测量中提取出1.5 cm21的低波导损耗，这也有助于实现高激光WPE。该设计的两个优势特点，即大大提高了Max电流密度和相对较高的斜率效率，在高温下保持不变。从9到160 K，斜率效率下降了5%，在160到300 K的温度范围内，提取的斜率效率特征温度T1为330 K，而在传统的qcl中，在相同的温度范围内，T1通常低于300 K。从阈值电流密度与温度特性中提取出125 K的特征温度T0。这一低于理想值主要是由于这种特殊设计的注入器中使用的低双lo声子电压缺陷，这有利于低温操作，限制了激光阈值性能和高温下的WPE。
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图5
该激光器还具有在低温下连续波（c.w.）模式工作的特点。图3所示激光器在30k和80k时的峰值c.w.功率分别至少为6.0 W和4.5 W（图5a）。在30 K和80 K下，c.w WPE的Max值分别为32%和28%（图5b）。然而，它们明显低于相同温度下相应的脉冲结果。这在很大程度上是由于缺乏有效的散热机制，因为这些激光器不是为c.w.操作而制造和包装的。对背面高反射率涂层埋地异质结构激光器的表征表明，在Max可用输出功率、Max工作温度和WPE方面，激光器的c.w.性能得到了改善（补充图S3）。
总之，已经通过实验实现了一种新的QCL设计，该设计使用了注入器和活性区域之间的超强耦合。这种新设计克服了注入器地能级和上激光能级之间的界面粗糙度引起的共振隧道失谐，更有效地促进了电子在量子级联中的传输，从而大大提高了量子级联的性能，如功率、斜率效率，特别是WPE。实验证明了前所未有的50% WPE。
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