量子级联激光器材料结构对器件性能的影响

量子级联激光器（QCL）的激射波长可以覆盖中、远红外及太赫兹波段，在空间通信、污染监控以及国家安全等方面具有广泛应用前景，其性能的提升主要集中在材料结构设计、生长及器件工艺的改进上。其中，QCL的器件工艺与其它半导体激光器类似，目前已日趋成熟；而材料结构设计，包括有源区及波导结构的设计，却具有很大提升空间。本项目主要研究材料结构对器件性能的影响：在有源区设计中，对处于跃迁低能态电子的抽取方式作多样设计，研究其对QCL各项性能指标的调控机理；在波导结构设计中，更多地采用高热导材料，在降低器件热阻的同时，研究波导层的掺杂和厚度对器件增益的影响；并结合分子束外延技术，通过对掺杂分布、组份均匀性、层厚以及界面的精确控制，最终使器件在室温连续工作时具有更优的性能指标。

量子级联激光器（Quantum cascade laser, QCL）以其独特的工作原理，以及覆盖中、远红外至太赫兹波段的宽广激射波长，吸引着研究者们浓厚的兴趣。本项目“量子级联激光器材料结构对器件性能的影响” 本项目主要研究材料结构对器件性能的影响，通过对有源区和波导设计的优化，调控QCL性能指标的同时，了解这些参数的优化对QCL性能影响的机理；最终结合分子束外延技术，通过对掺杂分布、组份均匀性、层厚以及界面的精确控制，使器件在室温连续工作时具有更优的性能指标。项目实施中，我们针对在气体痕迹检测和空间通讯中有广泛应用前景的4.6和7.6um波段的QCL，理论上得出了最优的有源区设计；波导设计针对不同波长的特点，在提高光限制的同时，提升了材料结构的热导，简化了生长；在完善分子束外延技术的同时，探索了分子束外延（MBE）技术与金属氧化物化学气相沉积（MOCVD）技术相结合的方式生长QCL，进一步简化生长，提高效率；通过器件热失效分析改善工艺和器件分装；在完善QCL材料设计理论、生长技术、器件失效机制的同时，最终使4.6umQCL的在室温下（25℃）连续波工作的功率超过600mW,阈值电流密度小于1.6 kA/cm2，最高连续波工作温度达到90℃；7.6um QCL在30℃脉冲工作时的峰值功率超过200mW，最高工作温度达到110℃，为器件实际应用打下坚实的基础。