量子級聯激光器原理與研究進展

宋亞峰

【摘 要】量子級聯激光器在中遠紅外激光器領域有重要的應用，本文總結與探討了量子級聯激光器的基本原理及特點，發展歷程中的各種問題的解決及研究進展，最后又簡單總結了太赫茲量子級聯激光器的發展情況。盡管Q CL已經有了長足的進步，但距離室溫應用和產業化還有一定距離。

【關鍵詞】量子級聯激光器； Q CL； 太赫茲

1 概述

量子級聯激光器（QCL）是一種基于子帶間電子躍遷的中紅外波段新型單極半導體器件，其工作原理是基于電子在半導體量子阱中導帶子帶間躍遷和聲子輔助共振隧穿，與通常的半導體激光器截然不同。

不同於傳統p- n結型半導體激光器的電子-空穴復合受激輻射機制，QCL受激輻射過程只有電子參與，激射波長的選擇可通過有源區的勢阱和勢壘的能帶裁剪實現。量子級聯激光器開創了中、遠紅外半導體激光器的先河。因此，它在紅外通信、遠距離探測、大氣污染監控、工業煙塵分析、化學過程監測、分子光譜研究、無損傷醫學診斷等方面具有很大的應用前景。

2 基本原理及特點

與常規半導體激光器相比，其量子級聯激光器特點是多方面的。主要包括：

（1）電子利用效率高。同一個電子可以重復利用，順序產生光子，理論上一個電子可以產生與級數相同的光子數，內量子效率會很高。

（2）中遠紅外波段且波長可調。決定QCL激射波長的子帶間距可通過半導體“能帶工程”進行調節。如改變量子阱或壘的厚度，材料的組分，外加偏壓等；理論計算可以通過自洽求解薛定謬方程和泊松方程，蒙特卡洛法等方法設計和優化；而實際器件的性能除了和這些設計參數密切相關外，還和實際生長的材料的質量、界面的陡峭程度，生長速率、摻雜等控制效果等密切相關。

由于不需要考慮空穴的情況，而且激射波長可以隨材料結構的設計而隨意可調，甚至通過人為的設計理論上量子級聯激光器的波長可以覆蓋中遠紅外的全部波長。大大避免了常規的半導體激光器導帶價帶間電子-空穴復合時激射波長主要受材料禁帶寬度限制的很大的局限性。

（3）增益譜窄。 由于載流子躍遷的始態和終態具有相同曲率，所以增益譜窄。

（4）量子級聯激光器的閾值電流和光譜線寬對溫度改變不敏感。這也是由

于QCL 子帶間躍遷的基本特性所決定的。常規半導體激光器中參與躍遷的電子

和空穴分布在一定的能量范圍內，且分布是對溫度敏感的，在長波長，增強的俄

歇效應限制了常規半導體激光器的高溫運行。而QCL幾近平行的子帶不易產生俄歇效應，所以在理論上對溫度不敏感。

3 發展歷程中的各種問題的解決及研究進展

早在1971年，前蘇聯Ioffe物理研究所的Kazarinov和Suris[1]共同提出了利用偏壓下電子通過一系列量子阱的光子輔助量子隧穿實現光增益的創新思想，為產生中遠紅外光的半導體激光器——量子級聯激光器提供了理論雛形。

1994年J. Faist ，Federico Capasso和同事卓以和等人利用分子束外延技術的突破，在貝爾實驗室率先發明世界上第一支量子級聯激光器[2] 被視為半導體激光領域的一次革命。脈沖（20 ns，0.1%）條件下，10 K時的激射波長是 4.26 μm，光輸出峰值功率 8.5 mW，閾值電流密度 11 kA/cm2，最高工作溫度可達約90 K。

典型的量子級聯激光器主要有注入區、有源區和弛豫區。要使激光器工作必須至少滿足一個條件，就是器件的增益一定要大于損耗. 要使器件產生增益，必須實現高能級對于低能級的粒子數反轉，而要降低損耗，就要使用好的波導設計.

（1）有源區設計：粒子數反轉

1994年的世界上第一支QCL[2]，其有源區是由與InP襯底晶格常數匹配的In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As 材料組成，有源區采用三阱耦合斜躍遷方式，這種躍遷方式限制了激光器的性能，導致其只能在低溫下工作。

后來人們針對粒子數反轉問題， 做了各種的改進，從最開始的啁啾超晶格結構[3，4]， 束縛態向連續態躍遷[5]， 到后來的共振聲子結構[6]。

（2）波導設計

提高波導的限制因子和降低波導損失可以有效地降低器件的閾值增益，從而提高激光器的性能.

QCL波導結構設計主要有等離子波導、半絕緣表面等離子波導以及雙面金屬波導等。世界上第一支QCL采用的是雙面金屬波導[2]。

量子級聯激光器波導結構設計典型的有Fabry- Pérot腔型、分布反饋（DFB）型，此外還有許多新穎的波導結構，如回音壁模式微腔結構、脊側壁光柵波導、樹形波導結構等。這些結構都有各自的特點和不同的應用前景，但新結構同時也對半導體微納加工工藝提出了更為嚴格苛刻的要求。

基于以上兩大方面的考慮，人們不斷設計改進并制成了各種類型的量子級聯激光器，并不斷提高了其各項重要參數。

2000年，我國科學家李愛珍（現任美國科學院院士）的課題組在亞洲率先研制出5至8微米波段半導體量子級聯激光器，從而使中國進入了掌握此類激光器研制技術的國家行列。

2004 年Page 等人將GaAs 基量子級聯激光器的連續工作溫度提高到50K[7]。

2009年，瑞士的 Giacomo Scalari等人通過合理設計Al0.03Ga0.97As階梯阱的結構，實現了3THz的量子級聯激光器，脈沖模式下最高工作溫度達到123 K，閾值電流較低110 A/cm2 @ 10 K和 175 A/cm2 @ 100 K. 。[8]

2011年，上海微系統所曹俊誠課題組采用蒙特卡洛方法，研究了注入耦合強度對THz QCL器件性能的影響。結果發現，對于3.7- THz QCL來說，可以找到一個優化的注入耦合強度參數，即7.5 meV。在該優化參數條件下，模擬得到的動態激射范圍以及峰值增益都取得了最大值。將該優化參數應用到有源區設計上將有望實現更高性能的THz QCL器件。[9]

美國西北大學的Razeghi 小組，他們研制的量子級聯激光器器件的關鍵性能和指標都處于世界領先水平，例如他們在2011 年報道了激射波長為4. 6 μm的法布里-珀羅量子級聯激光器，室溫連續工作最高功率為5 W，是迄今為止最高輸出功率[10]。同年他們報道了激射波長為4. 6 μm 的分布反饋量子級聯激光器，室溫連續工作最高功率為2. 4 W

2012年，美國西北大學的Manijeh Razeghi和她的團隊再一次刷新了量子級聯激光器（QCL）技術，這次通過與表面柵板分布反饋（DFB）部分之間創立一個斜角，能夠將高質量光束（與純單側面模式接近）和高功率相結合。原型的輸出波長為10.4 um，功率大于6W，衍射低，光質量高。[11]

值得一提的是，盡管太赫茲量子級聯激光器的室溫應用大規模產業化還有一段距離，但2013年，中國科學院半導體研究所的材料重點實驗室經過努力探索，制備成功并已經推出太赫茲量子級聯激光器系列產品，頻率覆蓋2.9～3.3 THz，工作溫度10～90 K，功率5～120mW。

4 太赫茲量子級聯激光器

太赫茲（THz）波[1—5]是指頻率從100 GHz 到10THz，相應波長從3mm 到30μm 范圍內，介于毫米波與紅外光之間的電磁波，也被稱為T - 射線. 從物理學看，THz 波處于電子學向光子學的過渡區.太赫茲技術涉及電磁學、光電子學、半導體物理學、材料科學以及微加工技術等多個學科，它在信息科學、生物學、醫學、天文學、環境科學等領域有重要的應用價值.

太赫茲量子級聯激光器（THzQCL）作為非常重要的一種太赫茲源，它和中紅外量子級聯激光器的工作原理是一樣的.

2002年Nature報道了由意大利和英國合作研制的世界上第一個太赫茲量子級聯激光器[12]，其激射頻率為4.4THz，在溫度為8 K時，器件的輸出功率可以達到2 mW，對應的閾值電流為290 A/cm2。

但由于太赫茲波段的特殊性，太赫茲QCL比一般的QCL設計起來難度要更大。例如，由于THz QCL發射出的光子能量對應于導帶子帶間的能量差， 而這個能量差要小于一個極化光學聲子的能量， 電子與極化光學聲子的散射被抑止， 很難實現粒子數反轉.[13]

5 總結

總之量子級聯激光器在中遠紅外激光器領域有重要的應用，本文總結與探討了量子級聯激光器的基本原理及特點，發展歷程中的各種問題的解決及研究進展，最后又簡單總結了太赫茲量子級聯激光器的發展情況。盡管QCL已經有了長足的進步，但距離室溫應用和產業化還有一定距離。

（本文被上海市青年教師資助計劃項目（編號14AZ12）資助以及被上海電機學院學科基礎建設項目（物理電子學 學科編號12XKJC01）支持。）

參考文獻：

[1] R. Kazarinov and R. A. Suris， Sov. Phys. Semicond.， 5， 707（1971）.

[2] J. Faist， F. Capasso， D.L. Sivco， C. Sirtori， A.L. Hutchinson and A.Y. Cho， Science， 264， 553 （1994）.

[3] 曹俊誠. 太赫茲量子級聯激光器研究進展. 物理， 2006， 35： 632—636.

[4] Rochat M， Ajili L， Willenberg H， et al. Low- threshold terahertz quantum- cascade lasers. Appl Phys Lett， 2002， 81：1381—1383[DOI].

[5] Scalari G， Ajili L， Faist J， et al. Far- infrared （λ 87 μm） boundto- continuum quantum- cascade lasers operating up to 90 K. Appl Phys Lett， 2003， 82： 3165—3167[DOI].

[6] Williams B S， Kumar S， Hu Q. Operation of terahertz quantumcascade lasers at 164 K in pulsed mode and at 117K in continuous- wave mode. Opt Express， 2005， 13（9）： 3331—3339[DOI].

[7] H. Page， S. Dhillon， M. Calligaro， Quantum Electron.， 40：665.（2004）.

[8] Scalari et al. Appl. Phys. Lett. 94， 041114 _2009.

[9] Li， H； Cao， J C 2011- 09- 01 第26卷 第期 095029～頁Semiconductor Science and Technology.

[10] Bai Y，Bandyopadhyay N，Tsao S， et al. Room temperature quantum cascade lasers with 27% wall plug efficiency [J]. Appl. Phys. Lett， 2011， 98： 181102 1 4.

[11] Lu Q Y，Bai Y，Bandyopadhyay N， et al. 2. 4 W room temperature continuous wave operation of distributed feedback quantum cascade lasers[J]. Appl. Phys. Lett. ，2011，98：181106 - 1 - 4.

[12] R.Kohler et al，A.Tredicucci，F.Beltram，H.E.Beere，E.H.Linfield，A.G. Davies，D.A.Ritchie，R.C.Iotti，and F.Rossi，Nature 417，156（2002）.

[13]黎華等： 太赫茲量子級聯激光器制備及其成像應用 中國科學 G 輯： 物理學 力學 天文學 2008 年 第38 卷 第5 期： 485 ～ 493.