采用全MOCVD生长技术突破高功率量子级联激光器的记录

研究背景

量子级联激光器（QCL）是一种基于单极性载流子跃迁的红外半导体激光器，其发光机制源于电子在量子级联结构子带间的跃迁。这种激光器凭借其独特的发光波长覆盖中远红外波段的特性，在痕量气体检测、自由空间光通信、红外对抗等领域展现出巨大的应用潜力。

长期以来，分子束外延（MBE）技术凭借其在生长参数控制精度和界面陡峭度方面的优势，成为QCL生长的技术。2020年，国外研究团队基于MBE技术制备的QCL单管器件达到了室温连续输出功率5.6 W的业界高水平。然而，MBE技术受限于高昂的成本和较低的生长效率，难以实现大规模应用。

相比之下，金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术具有成本低、生长效率高的优势，是一种有望实现QCL大规模生产的技术，但其在材料生长参数控制精度和界面陡峭度方面稍显不足，性能一直落后于MBE技术。

创新工作

面对这一挑战，国防科技大学半导体激光团队创新性地采用MOCVD技术实现了QCL全外延结构的生长；通过原位监测、无损测试和破坏性测试等方法，对外延材料的质量进行了全面评估（图1）。

图1 使用MOCVD生长的QCL外延结构表征结果

研究结果显示，外延材料具有光滑的表面和陡峭的异质界面，其中，原位监测可以清晰辨别出材料生长导致的反射率周期性波动，以及每一层InGaAs和InAlAs材料所对应的反射率区间。高分辨率X射线衍射卫星峰的半峰全宽低至14"，原子力显微镜测得表面均方根粗糙度低至0.18 nm；这些结果表明，外延材料具有较为陡峭的异质界面和极高的表面平整性。

腔长为10 mm、脊宽为6 μm的器件，其室温连续出光功率达到4.0 W，最高电光转换效率为15.3%。腔长为10 mm、脊宽为12 μm的器件，其室温连续出光功率达到6.3 W，最高电光转换效率为15.3%，是截至目前已报道的单脊量子级联激光器出光功率的最高世界纪录水平。

图2 不同腔长、脊宽器件的连续出光功率-电流-电压、电光效率的测试曲线

为解决单芯片功率受限的问题，研究团队进一步采用空间合束技术，将多个芯片集成封装为高功率模块。由7个芯片组成的M7模块在0.8 A工作电流时，室温连续出光功率和电光转换效率分别达到了9.3 W和12.2%。由19个芯片组成的M19模块在1.0 A工作电流时，室温连续出光功率和电光转换效率分别达到了22.4 W和7.8%，这也是已报道的中波量子级联激光模块出光功率的高记录水平。

团队还对M7模块进行了严格的寿命测试，三个模块的无失效时间分别达到2045小时、963小时和761小时，且在整个测试期间出光功率均未出现衰减（图3）。

图3 量子级联M7、M19模块的测试曲线

后续工作

后续工作中，团队将继续优化材料生长和器件设计，进一步提升MOCVD生长QCL的性能指标；同时开发更高集成度的激光模块，争取在输出功率和电光转换效率方面实现新的突破，并积极探索在工业检测、环境监测、医疗诊断等领域更广泛领域的应用前景。

参考文献： 中国光学期刊网

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