深勢阱使量子級聯激光器的效率提高近兩倍

傳統的量子阱激光器（QCL）的內核包含半導體量子阱和固定化合物勢壘，這種結構會導致4.5～5.5um的中紅外QCL器件的載流子泄露，因而使斜坡效率出現快速下降；在器件內核中的30～40個增益區間中，由于激光上能級和勢壘頂部較小的能量差（大約為200meV），從而使閾值電流密度隨溫度快速上升。雖然具有異質結結構的器件在室溫下可以達到12%的電光轉換效率（WPE），然而這些器件對溫度極其敏感，這就很難達到理論上的28%的WPE。折射計 | 粒子計數器 | 電容表 | 有紙記錄儀 | 溫濕度儀 | 電力測量儀 | 變送器 | 轉換器 | 諧波分析儀 | 彎嘴鉗 | 多用表 | PH計 | 水分測定儀 | 露點儀

　　 與傳統的量子級聯激光器相比（下圖），新型設計的深阱QCL的量子阱中的激光上能級和增益區勢壘頂部較小的能量差大約提高了兩倍，這可以有效抑制載流子泄露并提高效率。

　　盡管有許多新的勢壘和量子阱設計試圖抑制載流子泄露都沒有成功，但是來自威斯康星大學（UWM）和美國海軍研究實驗室（NRL）的研究小組，成功地找到了一種有效的方法。通過使用能量較深的勢阱，以及精細設計的馳豫和注入區，激光器中增益區載流子泄露被充分抑制，因此斜坡效率和閾值電流隨溫度的變化率只有傳統QCL的一半，因而明顯地增加了連續光（CW）運轉激光的效率，并最終可以獲得長期可靠運行的瓦量級連續光QCL。

　　加深勢阱

　　這個新器件中的深量子阱需要應力補償，增益區的鋁成分從64%增加到75%，用于提高勢壘。因此，激光上能級和勢壘頂部的能量差提高到了450meV，這是傳統QCL的兩倍。與傳統QCL相比，新器件在增益區之后的馳豫區具有一個錐形的導帶邊緣。這使馳豫區的波函數遠離增益區，減小與增益區的重疊，從而進一步抑制載流子泄露。最終，該研究小組還發現，注入區的錐形導帶邊緣也可以減少載流子泄露。

　　 正如研究人員期望的那樣，深勢阱器件的閾值電流密度的溫度特性可以增加到270K，相比之下，工作在20～90℃的傳統的QCL只能達到140K，而且斜坡效率的溫度特性也從140K增加到了285K。除了UWM-NRL研究小組外，參與合作研究的麻省理工學院的科學家還建立了一個理論模型，該模型能夠很好地預測傳統QCL和深勢阱QCL的溫度特性。根據預測，由于抑制了載流子泄露，連續光運轉的4.8um深勢阱器件的WPE可以超過20%。

　　 除了提高QCL的WPE外，抑制載流子意味著可以顯著改善高功率運轉的長期穩定性。威斯康星大學的Dan Botez教授說：“利用這種深勢阱對載流子的抑制可以獲得真正可靠的瓦量級連續光QCL。而且，這些新的器件可以幫助實現中紅外量子點結構激光器，使其具有室溫工作連續光運轉的WPE達到50%。”這樣的量子點結構激光器可用于中紅外非冷卻手持式傳感器中。