中红外量子级联超辐射发光管的研制

Mid-infrared broadband superluminescent diodes have numerous medical and industrial applications due to their intrinsically low temporal, high spatial coherence and high output power. The traditional mid-infrared light sources are relied on the technique that the light generated by high power laser pumped chalcogenide or fluoride fibers. However such devices are bulky, expensive and complex, which severely impedes their widespread application. Semiconductor light emitters are compact, robust, easy to operate lending themselves to low cost mass production, and therefore are emerged as ideal candidates for medical and industrial applications. In this proposal, the room-temperature broadband semiconductor light sources based on quantum well/dot cascade structures are fabricated and investigated in details. This work will focus on optimizing the epitaxial structure and device fabrication technique to obtain high quality epitaxial materials with long carrier lifetime, high spontaneous emission efficiency, high photon-to-electron conversion efficiency and broadband gain spectra, and the high performance devices.

中红外宽光谱超辐射发光管以其宽光谱、高功率的特点在大气通信、医疗成像、化学过程监测等诸多应用领域发挥着不可替代的作用。目前，常用的中红外超辐射发光管是利用激光泵浦的氟化物或硫系玻璃，其结构繁杂、转化效率低、造价高，难实现便携化。半导体光源有着体积小、效率高、成本低、易集成等诸多优点。但因受材料自身带隙的限制，难实现高效的中红外波段的光谱输出。本项目申请旨在利用导带内子带间跃迁发光的量子级联结构来制备室温连续工作的高性能的中红外超辐射发光管及器件阵列。此项目将系统地研究结合多种不同发射波长的有源区结构、研究量子阱/点级联外延结构中电子-电子、电子-声子、电子-光子相互作用对不同能级电子态寿命影响，建立有效的载流子注入及抽取机制、提高自发辐射复合效率、获得较宽的材料增益谱，并通过优化器件制备工艺实现室温工作的高性能的中红外宽谱超辐射发光管。

中红外光谱涵盖了3-5µm 、8-13µm 两个大气传输窗口，因而在众多科学技术领域具有非常重要的应用，包括大气通信、空间遥感、红外测距、光电对抗、医疗成像、医疗检测等领域有着重要的实用价值。中红外超辐射发光管以其宽光谱、高功率的特点在上述中红外的很多应用领域发挥着不可替代的作用。现阶段，常用的中红外超辐射发光管多利用氟化物或硫系玻璃；在实际应有中，氟化物或硫系玻璃需要采用附加激光泵浦，这不仅使其整个应用系统结构繁杂，而且存在着转化效率低、造价高等很多问题，难以实现系统的小型化和便携化。半导体量子级联超辐射发光管以其体积小、重量轻、寿命长、易集成等优点引起研究者们的关注。但是因为量子级联利用的是材料的子能带跃迁，自发辐射效率较低，很难满足连续高功率的输出。本项目围绕着材料外延生长和器件工艺两方面进行优化，采用四量子阱耦合和双声子共振结构的量子级联结构成功地制备了室温工作的中红外量子阱级联超辐射发光管，器件功率达到3.5mW；为进一步提高发光效率，随后在器件有源区中插入量子点结构，并探索了不同波导结构以及超辐射发光管与光放大器单片集成的器件复合结构对器件性能的影响。通过以上工作，系统地研究了量子阱/点级联外延结构中电子-电子、电子-声子、电子-光子相互作用对不同能级电子态寿命影响，建立了有效的载流子注入及抽取机制、提高了级联结构中自发辐射复合效率。