量子级联激光器原理与研究进展

宋亚峰

【摘 要】量子级联激光器在中远红外激光器领域有重要的应用，本文总结与探讨了量子级联激光器的基本原理及特点，发展历程中的各种问题的解决及研究进展，最后又简单总结了太赫兹量子级联激光器的发展情况。尽管Q CL已经有了长足的进步，但距离室温应用和产业化还有一定距离。

【关键词】量子级联激光器； Q CL； 太赫兹

1 概述

量子级联激光器（QCL）是一种基于子带间电子跃迁的中红外波段新型单极半导体器件，其工作原理是基于电子在半导体量子阱中导带子带间跃迁和声子辅助共振隧穿，与通常的半导体激光器截然不同。

不同於传统p- n结型半导体激光器的电子-空穴复合受激辐射机制，QCL受激辐射过程只有电子参与，激射波长的选择可通过有源区的势阱和势垒的能带裁剪实现。量子级联激光器开创了中、远红外半导体激光器的先河。因此，它在红外通信、远距离探测、大气污染监控、工业烟尘分析、化学过程监测、分子光谱研究、无损伤医学诊断等方面具有很大的应用前景。

2 基本原理及特点

与常规半导体激光器相比，其量子级联激光器特点是多方面的。主要包括：

（1）电子利用效率高。同一个电子可以重复利用，顺序产生光子，理论上一个电子可以产生与级数相同的光子数，内量子效率会很高。

（2）中远红外波段且波长可调。决定QCL激射波长的子带间距可通过半导体“能带工程”进行调节。如改变量子阱或垒的厚度，材料的组分，外加偏压等；理论计算可以通过自洽求解薛定谬方程和泊松方程，蒙特卡洛法等方法设计和优化；而实际器件的性能除了和这些设计参数密切相关外，还和实际生长的材料的质量、界面的陡峭程度，生长速率、掺杂等控制效果等密切相关。

由于不需要考虑空穴的情况，而且激射波长可以随材料结构的设计而随意可调，甚至通过人为的设计理论上量子级联激光器的波长可以覆盖中远红外的全部波长。大大避免了常规的半导体激光器导带价带间电子-空穴复合时激射波长主要受材料禁带宽度限制的很大的局限性。

（3）增益谱窄。 由于载流子跃迁的始态和终态具有相同曲率，所以增益谱窄。

（4）量子级联激光器的阈值电流和光谱线宽对温度改变不敏感。这也是由

于QCL 子带间跃迁的基本特性所决定的。常规半导体激光器中参与跃迁的电子

和空穴分布在一定的能量范围内，且分布是对温度敏感的，在长波长，增强的俄

歇效应限制了常规半导体激光器的高温运行。而QCL几近平行的子带不易产生俄歇效应，所以在理论上对温度不敏感。

3 发展历程中的各种问题的解决及研究进展

早在1971年，前苏联Ioffe物理研究所的Kazarinov和Suris[1]共同提出了利用偏压下电子通过一系列量子阱的光子辅助量子隧穿实现光增益的创新思想，为产生中远红外光的半导体激光器——量子级联激光器提供了理论雏形。

1994年J. Faist ，Federico Capasso和同事卓以和等人利用分子束外延技术的突破，在贝尔实验室率先发明世界上第一支量子级联激光器[2] 被视为半导体激光领域的一次革命。脉冲（20 ns，0.1%）条件下，10 K时的激射波长是 4.26 μm，光输出峰值功率 8.5 mW，阈值电流密度 11 kA/cm2，最高工作温度可达约90 K。

典型的量子级联激光器主要有注入区、有源区和弛豫区。要使激光器工作必须至少满足一个条件，就是器件的增益一定要大于损耗. 要使器件产生增益，必须实现高能级对于低能级的粒子数反转，而要降低损耗，就要使用好的波导设計.

（1）有源区设计：粒子数反转

1994年的世界上第一支QCL[2]，其有源区是由与InP衬底晶格常数匹配的In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As 材料组成，有源区采用三阱耦合斜跃迁方式，这种跃迁方式限制了激光器的性能，导致其只能在低温下工作。

后来人们针对粒子数反转问题， 做了各种的改进，从最开始的啁啾超晶格结构[3，4]， 束缚态向连续态跃迁[5]， 到后来的共振声子结构[6]。

（2）波导设计

提高波导的限制因子和降低波导损失可以有效地降低器件的阈值增益，从而提高激光器的性能.

QCL波导结构设计主要有等离子波导、半绝缘表面等离子波导以及双面金属波导等。世界上第一支QCL采用的是双面金属波导[2]。

量子级联激光器波导结构设计典型的有Fabry- Pérot腔型、分布反馈（DFB）型，此外还有许多新颖的波导结构，如回音壁模式微腔结构、脊侧壁光栅波导、树形波导结构等。这些结构都有各自的特点和不同的应用前景，但新结构同时也对半导体微纳加工工艺提出了更为严格苛刻的要求。

基于以上两大方面的考虑，人们不断设计改进并制成了各种类型的量子级联激光器，并不断提高了其各项重要参数。

2000年，我国科学家李爱珍（现任美国科学院院士）的课题组在亚洲率先研制出5至8微米波段半导体量子级联激光器，从而使中国进入了掌握此类激光器研制技术的国家行列。

2004 年Page 等人将GaAs 基量子级联激光器的连续工作温度提高到50K[7]。

2009年，瑞士的 Giacomo Scalari等人通过合理设计Al0.03Ga0.97As阶梯阱的结构，实现了3THz的量子级联激光器，脉冲模式下最高工作温度达到123 K，阈值电流较低110 A/cm2 @ 10 K和 175 A/cm2 @ 100 K. 。[8]

2011年，上海微系统所曹俊诚课题组采用蒙特卡洛方法，研究了注入耦合强度对THz QCL器件性能的影响。结果发现，对于3.7- THz QCL来说，可以找到一个优化的注入耦合强度参数，即7.5 meV。在该优化参数条件下，模拟得到的动态激射范围以及峰值增益都取得了最大值。将该优化参数应用到有源区设计上将有望实现更高性能的THz QCL器件。[9]

美国西北大学的Razeghi 小组，他们研制的量子级联激光器器件的关键性能和指标都处于世界领先水平，例如他们在2011 年报道了激射波长为4. 6 μm的法布里-珀罗量子级联激光器，室温连续工作最高功率为5 W，是迄今为止最高输出功率[10]。同年他们报道了激射波长为4. 6 μm 的分布反馈量子级联激光器，室温连续工作最高功率为2. 4 W

2012年，美国西北大学的Manijeh Razeghi和她的团队再一次刷新了量子级联激光器（QCL）技术，这次通过与表面栅板分布反馈（DFB）部分之间创立一个斜角，能够将高质量光束（与纯单侧面模式接近）和高功率相结合。原型的输出波长为10.4 um，功率大于6W，衍射低，光质量高。[11]

值得一提的是，尽管太赫兹量子级联激光器的室温应用大规模产业化还有一段距离，但2013年，中国科学院半导体研究所的材料重点实验室经过努力探索，制备成功并已经推出太赫兹量子级联激光器系列产品，频率覆盖2.9～3.3 THz，工作温度10～90 K，功率5～120mW。

4 太赫兹量子级联激光器

太赫兹（THz）波[1—5]是指频率从100 GHz 到10THz，相应波长从3mm 到30μm 范围内，介于毫米波与红外光之间的电磁波，也被称为T - 射线. 从物理学看，THz 波处于电子学向光子学的过渡区.太赫兹技术涉及电磁学、光电子学、半导体物理学、材料科学以及微加工技术等多个学科，它在信息科学、生物学、医学、天文学、环境科学等领域有重要的应用价值.

太赫兹量子级联激光器（THzQCL）作为非常重要的一种太赫兹源，它和中红外量子级联激光器的工作原理是一样的.

2002年Nature报道了由意大利和英国合作研制的世界上第一个太赫兹量子级联激光器[12]，其激射频率为4.4THz，在温度为8 K时，器件的输出功率可以达到2 mW，对应的阈值电流为290 A/cm2。

但由于太赫兹波段的特殊性，太赫兹QCL比一般的QCL设计起来难度要更大。例如，由于THz QCL发射出的光子能量对应于导带子带间的能量差， 而这个能量差要小于一个极化光学声子的能量， 电子与极化光学声子的散射被抑止， 很难实现粒子数反转.[13]

5 总结

总之量子级联激光器在中远红外激光器领域有重要的应用，本文总结与探讨了量子级联激光器的基本原理及特点，发展历程中的各种问题的解决及研究进展，最后又简单总结了太赫兹量子级联激光器的发展情况。尽管QCL已经有了长足的进步，但距离室温应用和产业化还有一定距离。

（本文被上海市青年教師资助计划项目（编号14AZ12）资助以及被上海电机学院学科基础建设项目（物理电子学 学科编号12XKJC01）支持。）

参考文献：

[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] 曹俊诚. 太赫兹量子级联激光器研究进展. 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～页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]黎华等： 太赫兹量子级联激光器制备及其成像应用 中国科学 G 辑： 物理学 力学 天文学 2008 年 第38 卷 第5 期： 485 ～ 493.