量子級聯激光器（QCL）是一種基于單極性載流子躍遷的紅外半導體激光器，其發光機制源于電子在量子級聯結構子帶間的躍遷。這種激光器憑借其獨特的發光波長覆蓋中遠紅外波段的特性，在痕量氣體檢測、自由空間光通信、紅外對抗等領域展現出巨大的應用潛力。

長期以來，分子束外延（MBE）技術憑借其在生長參數控制精度和界面陡峭度方面的優勢，成為QCL生長的技術。2020年，國外研究團隊基于MBE技術制備的QCL單管器件達到了室溫連續輸出功率5.6 W的業界高水平。然而，MBE技術受限于高昂的成本和較低的生長效率，難以實現大規模應用。

相比之下，金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）技術具有成本低、生長效率高的優勢，是一種有望實現QCL大規模生產的技術，但其在材料生長參數控制精度和界面陡峭度方面稍顯不足，性能一直落后于MBE技術。

面對這一挑戰，國防科技大學半導體激光團隊創新性地采用MOCVD技術實現了QCL全外延結構的生長；通過原位監測、無損測試和破壞性測試等方法，對外延材料的質量進行了全面評估（圖1）。

圖1 使用MOCVD生長的QCL外延結構表征結果

研究結果顯示，外延材料具有光滑的表面和陡峭的異質界面，其中，原位監測可以清晰辨別出材料生長導致的反射率周期性波動，以及每一層InGaAs和InAlAs材料所對應的反射率區間。高分辨率X射線衍射衛星峰的半峰全寬低至14"，原子力顯微鏡測得表面均方根粗糙度低至0.18 nm；這些結果表明，外延材料具有較為陡峭的異質界面和高的表面平整性。

腔長為10 mm、脊寬為6 μm的器件，其室溫連續出光功率達到4.0 W，高電光轉換效率為15.3%。腔長為10 mm、脊寬為12 μm的器件，其室溫連續出光功率達到6.3 W，高電光轉換效率為15.3%，是截至目前已報道的單脊量子級聯激光器出光功率的高紀錄水平。

圖2 不同腔長、脊寬器件的連續出光功率-電流-電壓、電光效率的測試曲線

為解決單芯片功率受限的問題，研究團隊進一步采用空間合束技術，將多個芯片集成封裝為高功率模塊。由7個芯片組成的M7模塊在0.8 A工作電流時，室溫連續出光功率和電光轉換效率分別達到了9.3 W和12.2%。由19個芯片組成的M19模塊在1.0 A工作電流時，室溫連續出光功率和電光轉換效率分別達到了22.4 W和7.8%，這也是已報道的中波量子級聯激光模塊出光功率的高記錄水平。

團隊還對M7模塊進行了嚴格的壽命測試，三個模塊的無失效時間分別達到2045小時、963小時和761小時，且在整個測試期間出光功率均未出現衰減（圖3）。

圖3 量子級聯M7、M19模塊的測試曲線

后續工作中，團隊將繼續優化材料生長和器件設計，進一步提升MOCVD生長QCL的性能指標；同時開發更高集成度的激光模塊，爭取在輸出功率和電光轉換效率方面實現新的突破，并積極探索在工業檢測、環境監測、醫療診斷等領域更廣泛領域的應用前景。

參考文獻： 中國光學期刊網

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