摘要：中国和美国的研究人员报告了迄今为止发射波长在8μm左右的带间级联激光器（ICL）的最高工作温度 [Yuzhe Lin et al, Optics Express, v32, p46439, 2024]。

来源：雅时化合物半导体

中国和美国的研究人员报告了迄今为止发射波长在8μm左右的带间级联激光器（ICL）的最高工作温度 [Yuzhe Lin et al, Optics Express, v32, p46439, 2024]。

由中国半导体研究所、南京大学和美国俄克拉荷马大学联合而成的研究团队认为，在许多应用中，带间级联激光器比量子级联激光器（QCL）更具优势。

“与量子级联激光器相比，带间级联激光器的输出功率更低，电流更小，电压更低。然而，对于许多感测应用来说，几毫瓦的输出功率已经足够，而且更低的功耗是更重要的性能指标。因此，在这种情况下，具有低阈值电流和更低电压的带间级联激光器更为理想。”

在脉冲模式下，所报告器件可持续工作到280K左右，比300K左右（27°C）的典型室温低20度左右，比以前的报告高出50K以上。

研究人员评论道：“考虑到所达到的工作温度已经接近室温，要是进一步努力优化设计参数，带间级联激光器应该可以在8μm附近的波长区域实现室温工作。”

图1：在70kV/cm的外加电场下，一个级联级和层序的示意带图。

利用分子束外延在具有18个增益级的n型砷化铟（InAs）晶圆上生长带间级联激光器结构（图1）。制备的两片晶圆F和G的层厚度略有不同。晶圆F包含锑化铝(AlSb)/InAs/锑化镓铟(Ga0.65In0.35Sb)/InAs/AlSb层，层厚次序为23/31.5/28/28.5/12Å。在晶圆G中，InAs/GaInSb/InAs部分的厚度变为32.5/26/29.5Å，目的是获得更长的发射波长。

增益级被放置在波导结构中，波导结构的两侧分别由内部的0.73μm InAs分离限制层（SCL）、中部的1.5μm InAs/AlSb超晶格（Sls）和外部的n+-InAs包层组成。为了减少与自由载流子吸收（FCA）相关的损耗，SL包层还在两个层面上进行了掺杂。这种混合包层波导结构已被广泛用于提高各种波长的带间级联激光器的性能。

通过湿法刻蚀，这些材料被制作成2mm长、宽度分别为100μm和150μm的大面积激光器。这些器件以外延朝上的方式贴装在铜散热片上，并通过铟焊料固定。

晶圆F上的一个100μmx2mm器件可持续发出激光，直至温度达到280.4K，发射波长为7.7μm（图2）。激光阈值电流密度为2150A/cm2。电流脉冲频率为5kHz，持续时间为500ns（温度低于270K时，脉冲宽度增至1μs）。晶圆G上的一个类似器件可持续发出激光，直至温度达到275.5K，激光阈值电流密度为2070A/cm2，发射波长为8.22μm。

图2：（a）阈值电流密度和阈值电压与温度的相对关系，插图为连续波（CW）发射光谱；（b）100μm宽F/G器件的激光波长和电压效率与温度的相对关系。

温度为80K时，晶圆F上的器件达到2.25A/cm2的阈值，发射波长为6.34μm。晶圆G上的器件的阈值为2.75A/cm2，发射波长为6.55μm。

研究人员评论道：“温度为80K时，阈值电流密度如此低，意味着所生长材料的品质很高，Shockley-Read-Hall复合显著减少。”温度为140K（连续波）时，两种器件的最大电压效率都达到了79%，研究团队补充道：“是这些长波长半导体激光器中最高的”。

温度为78K时，斜率效率为500mW/A/facet（图3），外部量子效率（EQE）超过500%。在带间级联激光器中，流经器件的每个电子都能发射多个光子，从而使外部量子效率超过100%。

图3：不同温度下，晶圆F和晶圆G上100μm宽器件的（a）连续波和（b）脉冲电流-电压-光输出功率特性。

研究人员还将模拟用作今后工作中潜在改进的指南。研究人员尤其关注自由载流子吸收和等离激元效应。降低掺杂水平可以减少自由载流子吸收上的损耗。

研究团队还担忧可能会“因价间-子带转换而造成大量吸收损耗”。奥地利和德国的研究人员已经证明，这种效应可以通过价带工程来改善，研究团队也计划对此进行探索。

来源：CSC化合物半导体