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德国研制出连续波室温广域量子级联激光器
2016-12-06
 

[据今日半导体网站2016121日报道]  德国洪堡大学的两位研究人员开发了广域量子级联激光器(QCLs),可在100℃以上以连续波的模式工作,发射波长为4.6μm。该成果发表在《物理学报》上。该器件在-27℃+ 20℃时,输出功率分别为1.3W0.6W

QCL是为中至远红外光谱区域开发的先进半导体激光源。尽管已经报道的QCL具有从几微米到几百微米的波长,但是最好的性能来自中红外(4-10μm)。在该波段,脉冲操作更容易实现,因为有源区不积累热量,从而提高有效温度。

对于需要非常窄的光谱宽度的应用,例如高分辨率光谱,连续波(cw)操作是必须的。此外,cw操作允许更高的平均输出功率,是红外热寻导弹所必须的措施。

为了在室温下实现高功率cw性能,人们制备出级联数3040之间的大量级联QCL,具有高达16μm的中等条带宽度。这样的器件依赖垂直和水平散热以保持有源区温度降低。

SemtsivMasselink的方法是减少级联的数量,以实现更宽的条纹。减少有源区级联的数量便减少了热产生,仅允许在宽条纹中占优势的垂直散热。

通过分子束外延(MBE)法,在轻掺杂硫的磷化铟(n-InP)上生长QCL材料。衬底同时还作为激光腔的底部包层。外延层由360nm InGaAs底部间隔物,10InGaAs-InAlAs交替有源区,360nm InGaAs顶部间隔物和4μmInP顶部包层组成。有源区具有应变补偿设计。

用湿蚀刻工艺制备出30μm款的脊。侧壁用600nm反应性磁控溅射二氧化硅绝缘覆盖。接触面采用铬和金。散热器由5μm厚的电镀金外涂层构成。

使用半共晶金锡在氮化铝基台上将该激光条向下焊接。将1mm宽、30μm厚的铜箔焊接到InP衬底的背面作为接触电极。

激光器具有4mm腔和解离刻面,在室温下脉冲模式阈值电流密度为2kA / cm 2。在8kA / cm 2时,电源/插头效率为6%。室温QCL在脉冲模式下实现了高达28%的效率。

通过用二氧化硅,铬和金的高反射率(HR)涂层涂覆背面,将阈值电流密度降低到1.2kA / cm 2。该涂层还能实现室温下以6kW / cm 21.5kA / cm 2×4V)的阈值功率密度进行连续波操作。

通过用具有不同厚度的相同二氧化硅,铬和金层涂覆两个面,可使连续波操作阈值功率密度进一步降低至3.4kW / cm 23.8V×0.9kA / cm 2)。该双面涂布装置为2mm长。

使用温度依赖性测量,研究人员估计器件在240K时的导热系数为235W / K-cm2375K时的导热系数为140W / K-cm2。这些值与9.2W / K-cm 2的预测值一致,该值使用9℃26℃区域中具有单侧热流的模型计算而出。研究人员评论说:这强烈地表明我们的QCL中具有非对称热流,这与我们的QCL的安装方式相当一致。这个结果反过来通过改善顶部电气的热移除而显着改善性能联系。

研究人员在连续模式下操作器件达102℃。(工业和信息化部电子科学技术情报研究所  张慧)

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