量子級聯(lián)激光器（QCLs）是覆蓋中紅外到太赫茲區(qū)的緊湊而強(qiáng)大的光源，已被應(yīng)用于各種科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域，如光學(xué)頻率梳和氣體傳感。為了實(shí)現(xiàn)長距離傳感和通信，需要高功率連續(xù)波工作的QCLs。分子束外延（MBE）目前被廣泛用于生長QCL的有源區(qū)，因?yàn)樗�有兩個(gè)主要特點(diǎn)：陡峭的界面和精確的層厚控制。然而，由于超高真空過程的原因，MBE技術(shù)生長的QCL產(chǎn)能低、成本高。金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）是另一種半導(dǎo)體材料高質(zhì)量外延技術(shù)，具有產(chǎn)量高、成本低的特點(diǎn)，對于推動(dòng)半導(dǎo)體材料和器件批量化應(yīng)用方面具有明顯優(yōu)勢，但將其應(yīng)用于QCL外延生長時(shí)，界面控制存在巨大挑戰(zhàn)。

中科院半導(dǎo)體研究所劉峰奇研究員課題組采用MOCVD 技術(shù)實(shí)現(xiàn)激射波長 8.5 μm的室溫連續(xù)波輸出功率大于1 W，達(dá)到國際領(lǐng)先水平，在以下幾方面獲得優(yōu)異性能：(1) 在408 K高溫下的連續(xù)輸出功率達(dá)到 160 mW，這是國際上沒有報(bào)道的最好指標(biāo)，證實(shí)QCL具有很好的可靠性；(2) 由MOCVD技術(shù)制備的長波紅外 QCL 的電光轉(zhuǎn)化效率目前沒有大于7%的報(bào)道，本文的效率為 7.1%；(3) 由MOCVD技術(shù)制備的高功率QCL閾值電流密度都比較高，本文報(bào)道的器件實(shí)現(xiàn)瓦級輸出的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了低的閾值電流密度（1.2 kA/cm²）。

圖1. 右圖為高分辨率XRD實(shí)驗(yàn)（藍(lán)色曲線）和模擬（紅色曲線）結(jié)果，左圖為衛(wèi)星衍射峰的局部放大圖。

圖2. 器件在連續(xù)波模式不同溫度下的功率-電流-電壓關(guān)系圖。

文章的主要研究思路：(1) 通過優(yōu)化生長技術(shù)，使QCL材料界面粗糙度為國際最好，幾乎可以與MBE技術(shù)相當(dāng)，從而保證激光器的有效增益，這是保證以上優(yōu)異性能的關(guān)鍵；(2) 采用容錯(cuò)能力更高的“單聲子共振-連續(xù)態(tài)”有源區(qū)設(shè)計(jì)思路。這項(xiàng)工作對MOCVD外延生長超薄層半導(dǎo)體材料研究提供了思路，相關(guān)成果對推進(jìn)量子級聯(lián)激光器的更廣泛應(yīng)用具有重要意義。

該工作近日發(fā)表在Journal of Semiconductors [Journal of Semiconductors, 2021, 42(11): 112301. doi: 10.1088/1674-4926/42/11/112301.]， 并作為封面文章進(jìn)行了展示。工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、北京市科技委項(xiàng)目、中科院重點(diǎn)項(xiàng)目等多個(gè)項(xiàng)目的支持。