量子級聯激光器，量子級聯激光器已被證明是中紅外範圍內(nei) 許多化學傳(chuan) 感国产成人在线观看免费网站的重要元件。qcl已經在室溫下實現了連續波操作。隨著qcl商業(ye) 国产成人在线观看免费网站的增加，生產(chan) 可靠和低成本的器件變得非常重要。實現這一目標的一項重要工作是通過金屬有機化學氣相沉積MOCVD製造QCL器件，因為(wei) 該技術已經在工業(ye) 上廣泛建立了大批量生產(chan) 可靠的帶間半導體(ti) 激光器的平台。
金屬有機化學氣相沉積製備室溫連續波工作低閾值量子級聯激光器
通過分子束外延MBE和MOCVD兩(liang) 種方法生長的量子微電子管的室溫連續工作結果令人鼓舞，但進一步的性能有望使量子微電子管更適合實際国产成人在线观看免费网站係統。在所有需要改進的器件參數中，特別需要更低的閾值電流密度，因為(wei) 它可以使器件消耗更少的總功率，並有可能提高壁插效率。
我們(men) 報告了5.07 um的mocvd生長QC激光器，具有BH再生結構和下行安裝，其室溫連續波閾值電流密度低於(yu) 所有這些先前報道的結果。本文提出的QCL結構是通過低壓MOCVD生長的。有源區域結構與(yu) 文獻中報道的設計非常相似，但對波導結構進行了一些修改，如下所述。一個(ge) 周期的層序為(wei) ：從(cong) 注入層阻擋層厚度開始，以納米為(wei) 單位：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層以正字體(ti) 打印，Ga0.33In0.67As層以斜體(ti) 字體(ti) 交替打印。所有層都生長在n摻雜Si， 21017 cm−3 InP襯底上。活性區有30個(ge) 活性/注入器堆棧，平均摻雜從(cong) 原來的21016 cm - 3減少到標稱的1.61016 cm - 3。InGaAs波導層的厚度從(cong) 0.3增加到0.4 um， InGaAs波導層中的摻雜水平從(cong) 81016降低到5 1016 cm−3。包層由2.5 um的InP（摻雜斜坡為(wei) 51016 ~ 11017 cm−3）、0.5 m厚的InP等離子體(ti) 增強約束層和重摻雜InGaAs接觸層組成。這與(yu) 原包層設計的2 um摻雜範圍為(wei) 11017 ~ 3 1017 cm−3的InP加上1 um重摻雜的InGaAs帽層進行了比較。
圖1
經過深入的生長條件優(you) 化，可以從(cong) 這些器件結構表征中證明良好的材料質量。在圖1中，實驗和模擬給出了30周期應變平衡QCL的延遲X射線004衍射曲線。大量尖細的衛星峰的出現表明晶體(ti) 的界麵質量優(you) 良。第0個(ge) 峰與(yu) InP襯底峰非常接近，模擬結果與(yu) 實驗結果吻合較好。這兩(liang) 條曲線幾乎相同，表明在整個(ge) 30周期的層序列中，層厚度、材料成分和界麵切換具有良好的均勻性和精確的控製。圖2所示的電發光結果進一步證實了晶體(ti) 的質量。在20 meV半等處的窄全寬表明，QCL結構的背景雜質水平低，異質結界麵光滑
圖2
然後將生長的結構加工成埋藏異質結構激光器。通過光刻確定了7.5 um的脊寬，並使用標準Br2 /HBr基溶液濕法蝕刻通過活性區。通過MOCVD選擇性再生，一層摻雜了Fe的厚InP在脊周圍生長，作為(wei) 電隔離層，也增強了從(cong) 有源區域的側(ce) 向散熱掃描電鏡檢測結果表明，再生的InP:Fe隔離層與(yu) 邊壁之間的界麵光滑，無生長缺陷。Fe摻雜量選擇在21017 cm−3以上，但低於(yu) 沉澱濃度。合並的鐵原子充當深層電子陷阱，因此在再生的InP:Fe層中基本上沒有自由電子，導致激光脊周圍的絕緣但光學透明的區域。
圖3
然後用電子束蒸發的Ti/Pt/Au頂部接觸金屬，然後是5 um厚的電鍍Au層，並減薄到約100 um的總厚度。采用電子束Ni/Ge/Au金屬作為(wei) 襯底接觸層，將加工後的晶圓切割成條狀和片狀。zui後，激光芯片被安裝在一個(ge) 銅底座上，以達到良好的散熱效果。
輸出功率和施加電壓對電流L-I/V-I特性是通過將安裝的器件放置在溫控台上獲得的。光功率是通過直接將器件靠近大麵積校準的熱電堆探測器來測量的。用傅裏葉變換紅外光譜儀(yi) 進行光譜分析。5 mm長，7.5 um寬器件的LIV曲線如圖3所示，激光光譜如插圖所示。該裝置發射波長為(wei) 5.07 um的光.
圖4
從(cong) 293 K左右的cw操作中。連續波總光輸出功率180 mW獲得了在273 K,閾值電流密度為(wei) 0.692 kA / cm2,和斜率效率/發電能力為(wei) 1542兆瓦,114兆瓦時的總光輸出功率得到了在288 K的閾值電流密度0.755 kA / cm2,斜率效率1079 mW /,和一個(ge) 閾值電流密度0.83 kA / cm2,斜率效率879 mW /,和總輸出功率74兆瓦的實現在298 K cw操作演示了303 K的溫度,總光功率為(wei) 45 mW，斜率效率為(wei) 612 mW/ a。在303 K時，閾值電流密度仍然隻有0.874 kA/cm2。
Jth隨測試溫度的變化曲線擬合為(wei) Jth=J0 exp T/T0的經驗指數函數。擬合結果J0= 0.08 kA/cm2，接近文獻中使用MBE生長構建的類似QCL的0.07 kA/cm2，並且cw操作的特征溫度T0 = 129 K高於(yu) 文獻中報道的95 K。圖4給出了在300k脈衝(chong) 模式下測量的閾值電流密度與(yu) 腔長倒數的關(guan) 係。與(yu) 脊波導器件相比，采用InP:Fe封裝的BH器件在介電介質或金屬薄膜的橫向光損耗都較低。此外，光滑的再生界麵表明，在本工作中，器件的側(ce) 壁散射損失Min。
大多數情況下，我們(men) 將器件中較低的內(nei) 部損耗值與(yu) 有源區、InGaAs波導層和包層區域中較低的摻雜水平聯係起來，從(cong) 而導致較低的自由載流子吸收，這通常是QCL器件中大部分波導損耗的原因。在這種相對較低的摻雜水平下，由於(yu) 缺乏非常精確的校準工具，可能很難將不同基團之間的摻雜水平相關(guan) 聯，因此估計活性區摻雜水平的一種方便方法是比較QCL結構中的Max隧道電流，因為(wei) 它與(yu) 注入器中的摻雜水平成正比實際上，在本研究中，Max隧穿電流密度約為(wei) 1.35 kA/cm2，表明本研究中結構的摻雜水平要低得多；這與(yu) 本文文獻12中的3.8 cm−1和1.84 cm−1的內(nei) 部損耗是一致的——遺憾的是，文獻中沒有光損耗報告。zui終，較低的光損耗導致室溫連續波閾值電流密度較低，約為(wei) 0.83 kA/cm2，而相關(guan) 文獻分別為(wei) 1.53 kA/cm2和1.71 kA/cm2。我們(men) 將閾值電流密度的降低不僅(jin) 歸因於(yu) 注入器摻雜水平的降低，還歸因於(yu) 上文所討論的波導結構的修改。後者已被證明對器件性能有顯著影響在這項工作中使用的較長的空腔長度及其對散熱的幫助也將降低連續波工作閾值電流密度。逐項列出各因素的貢獻被證明是一項複雜的工作，將在未來進行研究。zui後，較低的Max隧道電流密度也將限製可實現的Max輸出功率。所以需要在低閾值電流密度，Max功率，可能還有不同国产成人在线观看免费网站的Max工作溫度之間進行權衡。
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