作者：Gail Overton

傳統(tǒng)的量子阱激光器（QCL）的內(nèi)核包含半導(dǎo)體量子阱和固定化合物勢(shì)壘，這種結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致4.5～5.5µm的中紅外QCL器件的載流子泄露，因而使斜坡效率出現(xiàn)快速下降；在器件內(nèi)核中的30～40個(gè)增益區(qū)間中，由于激光上能級(jí)和勢(shì)壘頂部較小的能量差（大約為200meV），從而使閾值電流密度隨溫度快速上升。雖然具有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的器件在室溫下可以達(dá)到12%的電光轉(zhuǎn)換效率（WPE），然而這些器件對(duì)溫度極其敏感，這就很難達(dá)到理論上的28%的WPE。

圖：與傳統(tǒng)的量子級(jí)聯(lián)激光器相比（上圖），新型設(shè)計(jì)的深阱QCL的量子阱中的激光上能級(jí)和增益區(qū)勢(shì)壘頂部較小的能量差大約提高了兩倍，這可以有效抑制載流子泄露并提高效率。

盡管有許多新的勢(shì)壘和量子阱設(shè)計(jì)試圖抑制載流子泄露都沒(méi)有成功，但是來(lái)自威斯康星大學(xué)（UWM）和美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室（NRL）的研究小組，成功地找到了一種有效的方法。通過(guò)使用能量較深的勢(shì)阱，以及精細(xì)設(shè)計(jì)的馳豫和注入?yún)^(qū)，激光器中增益區(qū)載流子泄露被充分抑制，因此斜坡效率和閾值電流隨溫度的變化率只有傳統(tǒng)QCL的一半，因而明顯地增加了連續(xù)光（CW）運(yùn)轉(zhuǎn)激光的效率，并最終可以獲得長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的瓦量級(jí)連續(xù)光QCL。

 加深勢(shì)阱

這個(gè)新器件中的深量子阱需要應(yīng)力補(bǔ)償，增益區(qū)的鋁成分從64%增加到75%，用于提高勢(shì)壘。因此，激光上能級(jí)和勢(shì)壘頂部的能量差提高到了450meV，這是傳統(tǒng)QCL的兩倍（見(jiàn)圖）。與傳統(tǒng)QCL相比，新器件在增益區(qū)之后的馳豫區(qū)具有一個(gè)錐形的導(dǎo)帶邊緣。這使馳豫區(qū)的波函數(shù)遠(yuǎn)離增益區(qū)，減小與增益區(qū)的重疊，從而進(jìn)一步抑制載流子泄露。最終，該研究小組還發(fā)現(xiàn)，注入?yún)^(qū)的錐形導(dǎo)帶邊緣也可以減少載流子泄露。

正如研究人員期望的那樣，深勢(shì)阱器件的閾值電流密度的溫度特性可以增加到270K，相比之下，工作在20～90°C的傳統(tǒng)的QCL只能達(dá)到140K，而且斜坡效率的溫度特性也從140K增加到了285K。除了UWM-NRL研究小組外，參與合作研究的麻省理工學(xué)院的科學(xué)家還建立了一個(gè)理論模型，該模型能夠很好地預(yù)測(cè)傳統(tǒng)QCL和深勢(shì)阱QCL的溫度特性。根據(jù)預(yù)測(cè)，由于抑制了載流子泄露，連續(xù)光運(yùn)轉(zhuǎn)的4.8µm深勢(shì)阱器件的WPE可以超過(guò)20%。

除了提高QCL的WPE外，抑制載流子意味著可以顯著改善高功率運(yùn)轉(zhuǎn)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。威斯康星大學(xué)的Dan Botez教授說(shuō)：“利用這種深勢(shì)阱對(duì)載流子的抑制可以獲得真正可靠的瓦量級(jí)連續(xù)光QCL。而且，這些新的器件可以幫助實(shí)現(xiàn)中紅外量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)激光器，使其具有室溫工作連續(xù)光運(yùn)轉(zhuǎn)的WPE達(dá)到50%。”這樣的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)激光器可用于中紅外非冷卻手持式傳感器中。

 參考文獻(xiàn)

1. D. Botez et al., Proc. SPIE 7616, 76160N, (February 2010); http://dx.doi.org/10.1117/12.842593.
2. J.C. Shin et al., Electron. Lett. 45, 741 (2009).
3. D. Botez et al., Future Trends in Microelectronics: Unmapped Roads, eds. S. Luryi, J. Xu, and A. Zaslavksy, Wiley Interscience-IEEE Press, in press (2010).