量子级联激光器(Quantum Cascade Laser，QCL)是一种单极性器件，由于其采用子带跃迁原理，激射波长可以覆盖中红外到太赫兹波段，近年来，随着量子级联激光器在连续模式下功率性能的不断提升，它在气体检测、自由空间光通信以及红外对抗等领域逐渐得到了广泛应用^[1]。早期，高功率的量子级联激光器主要是采用分子束外延(Molecular Beam Epitaxy，MBE)技术生长方式，进行原位监控，生长厚度和界面控制更精准，Faist等人使用MBE成功研制了世界上第一个量子级联激光器，波长为4.2 μm^[2]，并在2001年，首次实现室温连续工作^[3]。美国西北大学的Razeghi课题组^[4]采用MBE生长高应变材料，设计了AlAs高势垒，实现QCL单管芯片在室温、连续条件下工作达到5.6 W的最高纪录，器件电光转换效率达到21%，波长为4.7 μm。随着金属有机物化学气相沉积(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)技术的进步，Roberts等人首次将MOCVD用于QCL材料制备^[5]，后来也有课题组使用MOCVD生长出了室温连续工作的高功率QCL，美国威斯康星大学的Dan Botez等人^[6]使用MOCVD 生长的5 μm量子级联激光器，在室温连续波条件下的最大输出功率已经达到了2.6 W。在国内，中国科学院半导体研究所的刘峰奇课题组最近也使用MOCVD生长出高质量的超晶格材料，其8.5 μm的长波量子级联激光器室温连续模式下达到了1.04 W的输出功率^[7]。使用MBE生长QCL有源区时，因其在界面和厚度控制更具优势^[8]，器件的阈值电流密度更低，斜率效率更高。但MBE设备存在维护困难，生长效率低的问题，不便于大批量生产。MOCVD是在低压环境下的气体反应，其生长切换存在延迟效应，因此其生长的异质界面相比MBE生长的异质界面具有较差的陡峭度，但是MOCVD设备维护简单，重复性好，生长效率高，适合大批量生产，在商业化方面具有更大的应用前景。并且MOCVD在提升器件功率效率方面有两大优势：（1）可用于器件的再生长工艺，提高侧向散热效率；（2）源流量可以通过流量计线性调节，容易生长多种组分，组合出更灵活的有源区结构。目前国内几乎没有MOCVD生长3~5 μm波段QCL的相关研究报道，因此开展MOCVD生长中红外QCL的研究具有重要意义。

笔者报道了MOCVD生长出的4.6 μm的高功率中红外量子级联激光器，通过在生长超晶格时采用厚度补偿，得到高质量的外延材料，使用MOCVD生长出在室温连续模式下激射的中红外QCL，在288 K温度下，连续模式输出功率达到364 mW，阈值电流密度低至1.04 kA/cm²，与参考文献[9]中使用MBE生长的水平基本一致。并在脉冲模式下达到720 mW的功率，最大电光转换效率达到6.3%，对推动中红外激光器的发展具有重要意义。

在文中生长实验中，QCL的整个外延结构使用MOCVD生长方式，设备型号为德国AIXTRON，反应腔室采用近耦合喷淋式结构。MO源包括三甲基镓（TMGa）、三甲基铟（TMIn）、三甲基铝（TMAl），氢化物源包括砷烷（AsH₃）、磷烷（PH₃）、乙硅烷（Si₂H₆）。文中生长量子级联激光器的全结构采用类似双声子共振的QCL有源区结构，基于参考文献[9]并作结构优化设计，界面切换处作有效厚度的补偿，并改变了掺杂浓度。生长全结构时采用高掺杂的N型InP衬底，有源区结构为交替生长的应变平衡的In_0.669Ga_0.331As/In_0.362Al_0.638As超晶格。从衬底开始依次生长外延层如下：0.5 μm的InP缓冲层，3 μm的低掺杂InP波导层，0.3 μm的InGaAs限制层，30个周期的InGaAs/InAlAs的有源区，0.3 μm的InGaAs限制层，3 μm的低掺杂InP波导层，1 μm厚的高掺杂InP波导层。

笔者课题组进行了改变有源区掺杂浓度的生长实验，设计生长了Structure1，Structure2和Structure3三个实验样品，样品的注入区Si掺杂浓度从低到高分别为2×10¹⁷cm⁻³、3×10¹⁷cm⁻³和4×10¹⁷cm⁻³，全结构的生长反应温度为610 ℃，Ⅴ/Ⅲ为100~130。

在全结构生长时，使用反射率曲线对其三个结构的生长过程进行监控，如图1所示，图中为有源区超晶格中14个周期的反射率曲线，可以明显看出三个结构生长过程具有高度的一致性，表明MOCVD在进行长时间生长超晶格时的生长重复性好，可监控性强。

图  1  三种不同掺杂浓度样品的反射率曲线监控

Figure 1.  Reflectance curve monitoring of three samples with different doping concentrations

生长的样品使用原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）观察其表面形貌，并采用高分辨X射线衍射仪（XRD）进行晶体质量分析。AFM测试结果如图2所示，测试区域大小为5 μm×5 μm，其表面均方根粗糙度(Root-Mean-Square，RMS)分别是0.215 nm、0.205 nm和0.209 nm，可以看出三个样品均具有明显的台阶流样式的表面形貌，表面生长形貌良好，且改变掺杂浓度对样品的表面形貌无明显影响。

XRD作为常用的材料表征手段，可以反映生长的层厚和组分的均匀性信息，是否观测到多个清晰的衍射卫星峰可以作为评价高质量的异质界面的依据。图3对比了三组样品的X射线光谱图，从结果中可以清晰地看到，三组样品峰位基本保持一致，均有多个高阶的卫星峰，样品半高宽为17"，峰宽较窄，表明生长的材料具有良好的周期性和陡峭的异质界面。

图  2  三种不同掺杂浓度样品的AFM (5 μm×5 μm)测试结果图

Figure 2.  AFM images (5 µm×5 µm) of three samples with different doping concentrations

图  3  三种不同掺杂浓度样品的X射线光谱图

Figure 3.  X-ray spectra of three samples with different doping concentrations

外延片经过器件工艺制作成13 μm宽的双沟单脊型结构，QCL的工艺制作流程如下，经过晶圆清洁后，用等离子增强化学气相沉积（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD）生长300 nm的SiO₂当掩膜，经过匀胶，光刻，显影等工艺后，用湿法刻蚀做出双沟的几何结构，条纹图案刻在[110]方向。然后去除SiO₂掩膜，并生长新的300 nm厚的SiO₂作为电绝缘层，并在脊的上方进行刻蚀，露出表面高掺杂接触层。表面溅射Ti/Pt/Au层并退火，作欧姆接触，并电镀4 μm的厚金层来增加散热，制作的双沟型结构截面图如图4所示，将衬底减薄至150 μm并且抛光后，蒸镀Ge/Au/Ni/Au层作为背面电极。然后将晶圆片切成不同长度的巴条，并在一端腔面镀上Al₂O₃/Ti/Au （200/10/100 nm）作为高反膜。封装时芯片焊在AlN热沉上，采用倒焊封装方式，减小有源区和热沉的距离来增加散热效率。

图  4  双沟型结构的扫描电子显微镜截面图

Figure 4.  Cross-sectional scanning electron microscope image of the double-channel structure

图5展示的是不同注入区掺杂浓度的未镀膜器件在脉冲模式下最大单面的峰值输出功率，使用的脉冲电流源型号为KETHIELY-2601 pulse，功率采集是使用Coherent的热堆,型号为PM-USB PM10，芯片腔长为3 mm，测试温度在203 K，测试脉宽为100 μs，占空比为10%。从图中可以看出，当掺杂浓度为2×10¹⁷ cm⁻³时，Structure1器件阈值电流为0.72 A，对应阈值电压为10.0 V，随着注入区掺杂的提高，阈值电流增大，阈值电压降低，当掺杂浓度为4×10¹⁷ cm⁻³时，Structure3阈值电流增大到1.17 A，阈值电压降至9.6 V，显然，优化掺杂可以得到阈值电压更低的器件，这是因为粒子数反转的条件可以在更低的电场下实现^[10]，另一方面，器件阈值电流随掺杂浓度增大，这是由于QCL中自由载流子吸收损耗是主要的损耗，有源区中载流子增加，对光的吸收增强，吸收损耗随注入区掺杂浓度而提高。对于Structure1，其最大输出功率为776 mW，斜率效率为0.85 W/A，Structure2中，器件的输出功率为678 mW，斜率效率为0.72 W/A。在4×10¹⁷ cm⁻³的掺杂浓度下，Structure3输出功率最低，为600 mW，斜率效率为0.66 W/A，此时最大功率和斜率的变化主要是由于热回填效应，低能态的电子跃迁回上能级，减弱粒子数反转，该效应与注入区的掺杂浓度成正比，并且对温度非常敏感^[11]，由于QCL的转换效率低，大部分输入功率转变成了热功率，三组器件在相同功率输出下，Structure3的工作电流最大，有源区总热量最多，热反转最严重。

图  5  不同掺杂浓度样品的L-I-V曲线

Figure 5.  L-I-V curves of samples with different doping concentrations

三组样品中表现最好的是Structure1，此样品在保持低阈值电流密度和高斜率效率的同时能达到最大的功率输出，器件的最佳输出功率是由这些条件综合决定的，可见在这一组实验中Structure1中2×10¹⁷ cm⁻³的掺杂浓度设置最为合理，并且掺杂设计仍有优化空间，进一步细化实验掺杂设计可找到更优的功率输出条件。低掺杂设计可以降低吸收损耗，使阈值电流降低，激射时产生总热量少可以减小热回填，有利于芯片在连续模式下工作。文中实验结果总体趋势与参考文献[12]的结果是一致的，但斜率效率与阈值电流的变化幅度不同，这是由于实验的掺杂梯度设计跟参考文献[12]不同。在实际操作中，可进一步减小占空比，排除热效应干扰，确定真实斜率效率与掺杂浓度的关系。

图6（a）为掺杂和生长优化后的器件在不同温度下的L-I-V曲线，器件进一步降低了掺杂浓度为1.5×10¹⁷ cm⁻³，同时为降低吸收损耗，减小了波导层掺杂。测试使用脉宽为10 μs，占空比为10%，芯片温度由热沉下的热敏电阻监控，由TEC制冷板控温。器件脊宽13 μm，腔长3 mm，在室温288 K下，脉冲模式输出功率达到722 mW，阈值电流为0.39 A，阈值电流密度仅为1.01 kA/cm²，并且斜率达到1.6 W/A。随着温度升高，阈值电流增大，斜率效率降低，在328 K的温度下阈值电流为0.54 A，斜率效率降至0.8 W/A，最大输出功率依然有300 mW。

图  6  （a）芯片在不同温度下的L-I-V曲线；（b）芯片在不同温度下的电光转换效率

Figure 6.  (a) L-I-V curves of the chip at different temperatures; (b) Wall-plug efficiency of the chip at different temperatures

图6（b）展示的是不同温度下计算出的电光转换效率随电流的变化关系，可以看出，随着温度升高，电光转换效率不断降低，最大效率点是在278 K下I=0.85 A时，达到6.3%，在328 K的温度下，芯片仍能工作，并还有2%的电光转换效率。

芯片的高温工作性能可以根据特征温度T₀来表示，计算方法根据经如下经验公式：${J_{th}} = {J_{\text{0}}}{{{\rm exp}(T/}}{{{T}}_{\text{0}}}{\text{)}}$，T是热沉温度，T₀是脉冲模式下阈值电流密度的特征温度系数。图7展示了芯片的阈值电流密度随温度变化的趋势，阈值电流密度从288 K时的1.0 kA/cm²升高到328 K时的1.38 kA/cm²，计算得到的特征温度为128 K，可以通过进一步优化结构和提高散热效率后提高芯片高温工作时的性能。

图  7  不同温度下的阈值电流密度和特征温度T₀

Figure 7.  Threshold current density and characteristic temperature T₀ at different temperatures

图8展示的是室温连续模式下芯片的L-I-V测试结果和光谱，光谱测试采用Bruker的傅里叶红外光谱仪，3 mm的器件在室温连续模式下，器件最大输出360 mW的功率，此时电流为0.8 A。连续模式工作时，阈值电流为0.4 A，阈值电流密度为1.03 kA/cm²，斜率效率为1.25 W/A，在I=0.5 A时，激射光谱波数在2170 cm⁻¹，对应中心波长在4.6 μm。与脉冲模式相比，连续模式下工作的芯片阈值电流变大，斜率效率降低，并且在0.8 A后便提前出现功率下降的现象，这是由于连续模式工作时产生热量更多，导致芯片有源区温度高，热反转严重。由于芯片未做再生长工艺，横向散热较差，再生长后的掩埋脊型结构可以有效提高散热效率，进一步提高连续模式下的工作功率，这也是MOCVD生长高功率连续模式QCL的优势所在。

图  8  室温连续模式下的L-I-V和光谱

Figure 8.  L-I-V and spectra in continuous-wave operation at room temperature

文中使用MOCVD生长出了可室温连续工作的中红外量子级联激光器，研究了不同注入区掺杂浓度对器件阈值斜率及功率的影响，在低掺杂浓度条件下实验器件获得最优性能，经过结构优化后，新器件室温连续模式下具有较低的阈值电流密度1.03 kA/cm²，可实现364 mW的功率输出，且脉冲模式下峰值功率输出达722 mW，电光转换效率达6.3%，为目前国内采用MOCVD生长中红外QCL的先进水平，这为中红外波段的激光应用提供技术支撑。