中红外量子级联激光器腔面温度分布和失效机理研究

This project will focus on the facet temperature distribution and failure mechanism of InP based InGaAs/InAlAs mid-infrared quantum cascade lasers (QCLs). The main contents are: (1)Using micro-Raman method to measure the facet temperature distribution of operating QCLs;(2)Simulating the temperature distribution profile by taking into account the boundary scattering and injection current distribution; (3)Analyzing the defects developed after high injection currents, including the defects structure and their evolution, understanding the QCL failure mechanism; (4)Improving the device structure and thermal management, to further enhance the device performance. The innovation in this project includes: (1)It is the first measurement of the facet temperature distribution of operating QCLs by using the intensity ratio of the Stokes and anti-Stokes Raman line intensity,which is more accurate than using the micro-photoluminescence (PL) peak shift analysis.(2) By analyzing the Raman peak shift and PL peak shift, the strain induced from the heat accumulation can also be obtained; (3)In the temperature profile simulation, the boundary scattering and injection current distribution are also considered, so that the result will be more reliable. By accomplishing this work, we can get a more accurate temperature distribution and a better understanding of the heat accumulation and device failure mechanism. we will further improve the QCL performance at room temperature continuous wave operation.

本项目将对InP基InGaAs/InAlAs中红外量子级联激光器（QCL）的腔面温度分布和失效机理进行研究，主要内容包括：用微区拉曼方法测量处于工作状态的QCL腔面温度分布；在模拟中，考虑边界散射和注入电流分布等因素的影响，对实验结果进行合理解释；分析大电流注入后形成的缺陷结构及其演化规律，研究器件失效机理；改进器件结构和热管理技术，提高器件性能。本项目的创新性在于：（1）首次采用微区拉曼方法利用斯托克斯线与反斯托克斯线的强度比得到室温连续工作QCL的腔面温度，这比利用微区光致发光（PL）峰位移动得到的温度更准确；（2）通过对拉曼频移量和PL峰位移动进行分析，可得到热失配引起的应力分布；（3）将边界散射和注入电流分布对温度分布的影响考虑到模拟过程中，模拟结果更完善。通过本项目研究，可以更准确的掌握室温连续工作时QCL有源区的热积累程度，深入理解器件的失效机理，进一步提高器件性能。

目前中红外量子级联激光器（QCL）采用的主要是InP基InGaAs/InAlAs有源区，它由数百至上千层纳米级薄层构成，材料热导率低，导致QCL连续波工作时出现严重的热积累，影响器件性能。本项目针对中红外QCL腔面温度分布和失效机理进行研究，主要包括：（1）利用微区拉曼光谱，通过分析腔面材料的斯托克斯和反斯托克斯线的强度比，在国际上首次测量了处于室温连续波工作状态的QCL的腔面温度分布。实验发现连续波工作的QCL有源区存在严重的热积累，有源区中心的实际温度远高于热沉温度。有源区的横向温度分布呈现出“W”形，边缘处的温度上升是由于 SiO2的导热性差以及横向界面散射引起的。由于拉曼信号强度比仅随温度改变，因此用拉曼方法得到的温度比用光致发光（PL）峰位分析得到的更可靠，因为PL峰位不仅随温度移动，还受应力大小的影响。利用微区拉曼光谱研究了QCL有源区超晶格材料的多种声子模式，实验发现QCL有源区材料中的压应力随温度的升高而增加，这与我们之前观察到的器件在高温下出现由应力引起的腔面损坏是一致的。对烧坏的QCL有源区进行微区拉曼测试发现存在明显的In脱附。（2）通过优化金属有机物化学气相沉积选区外延生长掺Fe的InP时的生长温度、生长速率，V/III比、以及掺Fe剂量等条件，获得了高电阻率的半绝缘InP材料。采用掩埋异质结工艺的QCL器件性能与普通工艺相比，室温连续波工作时阈值电流更低，输出功率更大，这是由于半绝缘InP的导热率远高于普通工艺采用的SiO2材料，器件散热能力获得很大改善，器件性能得到很大的提升。（3）采用窄脊、倒装焊、腔面镀膜、高热导率热沉等优化QCL结构和改善热管理水平，分别研制出室温连续波输出光功率超过1W的大功率分布反馈量子级联激光器（DFB-QCL）和阈值功耗小于1.5 W的低功耗DFB-QCL。对QCL腔面温度分布的可靠测量，以及对有源区材料的应力分析为研究器件的失效机理奠定了基础。降低器件功耗，改善热管理水平，对于减小有源区的热积累和应力积累非常重要，大大提高了DFB-QCL波长和功率的稳定性和可靠性。