上海微系统所高性能带间级联激光器研究取得重要进展
文章来源：上海微系统与信息技术研究所 | 发布时间：2022-03-10 | 【】 【】
近日，上海微系统与信息技术研究所高性能室温连续工作中红外带间级联激光器（interband cascade laser, icl）研究取得重要进展。第三研究室iii-v族化合物半导体材料与器件课题组龚谦研究员带领的红外半导体激光器团队采用分子束外延法在gasb衬底上生长了3.4um带间级联激光器材料，并成功制备出高性能室温连续工作带间级联激光器。2.9mm腔长、7um窄脊波导器件连续工作温度可达80℃，20℃时阈值电流密度为177a/cm2，单面输出功率42mw@200ma，外量子效率高达37% per stage（5个stage级联），内损耗小于5cm-1。2.9mm腔长、150um宽脊波导器件，脉冲模式下20℃时的阈值电流密度为130a/cm2。
相关研究论文“high performance interband cascade lasers with algaassb cladding layers”于2022年3月1日在ieee photonics technology letters发表（doi：10.1109/lpt.2022.3153334），论文链接：。论文的第一作者为中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士研究生赵旭熠，通信作者为龚谦研究员。
带间级联激光器是基于量子效应和能带工程的新型半导体激光器，和量子级联激光器（quantum cascade laser, qcl）并列为重要的中远红外激光光源。在环境监控、医疗诊断以及军事红外对抗等领域具有重要的应用前景。icl器件原型由美国oklahoma大学杨瑞青教授于1994年首次提出，基本结构为通过type-ii量子阱的导带和价带之间跃迁实现电子和空穴的辐射复合，每个有源区通过inas/alsb啁啾超晶格结构实现串联连接。级联结构也可用于连接type-i量子阱有源区。icl结合了传统半导体带间跃迁激光器和量子级联激光器的优势，具有载流子注入均匀，量子效率高、波长易调节、阈值电流低、工作电压低、和阈值功耗低等优点。
本项工作标志着课题组研究人员在icl器件设计、材料外延和器件制备三个方面同时达到了较高的技术水平。课题组解决了高精度分子束外延材料生长控制和sb化物激光器工艺中的一系列难点问题。在器件结构上使用具有更高热导率的algaassb四元合金层取代了常用的inas/alsb超晶格作为激光器覆盖层材料，取得了令人激动的结果。本项工作为后续实用化的带间级联dfb激光器和带间级联高功率激光器研发打下了坚实的基础。
图1 （a）2.9mm腔长，7um脊波导宽度器件在10℃~80℃间连续工作的电流-光功率曲线和20℃时的电流-电压曲线；（b）2.9mm腔长，7um脊波导宽度器件在不同温度下的高分辨光谱图。
图2脉冲模式和连续工作模式下2.9mm腔长、7um脊波导宽度器件与2.9mm腔长、10um脊波导宽度器件的阈值电流密度-温度（jth-t）关系。
