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量子级联激光器
深势阱使量子级联激光器的效率提高近两倍
材料来源:激光世界           录入时间:2010-8-9 16:57:49

 

作者:Gail Overton

传统的量子阱激光器(QCL)的内核包含半导体量子阱和固定化合物势垒,这种结构会导致4.5~5.5µm的中红外QCL器件的载流子泄露,因而使斜坡效率出现快速下降;在器件内核中的30~40个增益区间中,由于激光上能级和势垒顶部较小的能量差(大约为200meV),从而使阈值电流密度随温度快速上升。虽然具有异质结结构的器件在室温下可以达到12%的电光转换效率(WPE),然而这些器件对温度极其敏感,这就很难达到理论上的28%的WPE。

 

图:与传统的量子级联激光器相比(上图),新型设计的深阱QCL的量子阱中的激光上能级和增益区势垒顶部较小的能量差大约提高了两倍,这可以有效抑制载流子泄露并提高效率。

尽管有许多新的势垒和量子阱设计试图抑制载流子泄露都没有成功,但是来自威斯康星大学(UWM)和美国海军研究实验室(NRL)的研究小组,成功地找到了一种有效的方法。通过使用能量较深的势阱,以及精细设计的驰豫和注入区,激光器中增益区载流子泄露被充分抑制,因此斜坡效率和阈值电流随温度的变化率只有传统QCL的一半,因而明显地增加了连续光(CW)运转激光的效率,并最终可以获得长期可靠运行的瓦量级连续光QCL。

 加深势阱

这个新器件中的深量子阱需要应力补偿,增益区的铝成分从64%增加到75%,用于提高势垒。因此,激光上能级和势垒顶部的能量差提高到了450meV,这是传统QCL的两倍(见图)。与传统QCL相比,新器件在增益区之后的驰豫区具有一个锥形的导带边缘。这使驰豫区的波函数远离增益区,减小与增益区的重叠,从而进一步抑制载流子泄露。最终,该研究小组还发现,注入区的锥形导带边缘也可以减少载流子泄露。

正如研究人员期望的那样,深势阱器件的阈值电流密度的温度特性可以增加到270K,相比之下,工作在20~90°C的传统的QCL只能达到140K,而且斜坡效率的温度特性也从140K增加到了285K。除了UWM-NRL研究小组外,参与合作研究的麻省理工学院的科学家还建立了一个理论模型,该模型能够很好地预测传统QCL和深势阱QCL的温度特性。根据预测,由于抑制了载流子泄露,连续光运转的4.8µm深势阱器件的WPE可以超过20%。

除了提高QCL的WPE外,抑制载流子意味着可以显著改善高功率运转的长期稳定性。威斯康星大学的Dan Botez教授说:“利用这种深势阱对载流子的抑制可以获得真正可靠的瓦量级连续光QCL。而且,这些新的器件可以帮助实现中红外量子点结构激光器,使其具有室温工作连续光运转的WPE达到50%。”这样的量子点结构激光器可用于中红外非冷却手持式传感器中。

 参考文献

  1. D. Botez et al., Proc. SPIE 7616, 76160N, (February 2010); http://dx.doi.org/10.1117/12.842593.
  2. J.C. Shin et al., Electron. Lett. 45, 741 (2009).
  3. D. Botez et al., Future Trends in Microelectronics: Unmapped Roads, eds. S. Luryi, J. Xu, and A. Zaslavksy, Wiley Interscience-IEEE Press, in press (2010).

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