近日，上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所高性能室溫連續(xù)工作中紅外帶間級聯(lián)激光器（Interband Cascade Laser, ICL）研究取得重要進展。第三研究室III-V族化合物半導(dǎo)體材料與器件課題組龔謙研究員帶領(lǐng)的紅外半導(dǎo)體激光器團隊采用分子束外延法在GaSb襯底上生長了3.4um帶間級聯(lián)激光器材料，并成功制備出高性能室溫連續(xù)工作帶間級聯(lián)激光器。2.9mm腔長、7um窄脊波導(dǎo)器件連續(xù)工作溫度可達80℃，20℃時閾值電流密度為177A/cm2，單面輸出功率42mW@200mA，外量子效率高達37% per stage（5個stage級聯(lián)），內(nèi)損耗小于5cm-1。2.9mm腔長、150um寬脊波導(dǎo)器件，脈沖模式下20℃時的閾值電流密度為130A/cm2。

　　相關(guān)研究論文“High Performance Interband Cascade Lasers With AlGaAsSb Cladding Layers”于2022年3月1日在IEEE Photonics Technology Letters發(fā)表（DOI：10.1109/LPT.2022.3153334），論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9718238。論文的第一作者為中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所博士研究生趙旭熠，通信作者為龔謙研究員。

　　帶間級聯(lián)激光器是基于量子效應(yīng)和能帶工程的新型半導(dǎo)體激光器，和量子級聯(lián)激光器（Quantum Cascade Laser, QCL）并列為重要的中遠紅外激光光源。在環(huán)境監(jiān)控、醫(yī)療診斷以及軍事紅外對抗等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。ICL器件原型由美國Oklahoma大學(xué)楊瑞青教授于1994年首次提出，基本結(jié)構(gòu)為通過Type-II量子阱的導(dǎo)帶和價帶之間躍遷實現(xiàn)電子和空穴的輻射復(fù)合，每個有源區(qū)通過InAs/AlSb啁啾超晶格結(jié)構(gòu)實現(xiàn)串聯(lián)連接。級聯(lián)結(jié)構(gòu)也可用于連接Type-I量子阱有源區(qū)。ICL結(jié)合了傳統(tǒng)半導(dǎo)體帶間躍遷激光器和量子級聯(lián)激光器的優(yōu)勢，具有載流子注入均勻，量子效率高、波長易調(diào)節(jié)、閾值電流低、工作電壓低、和閾值功耗低等優(yōu)點。

　　本項工作標(biāo)志著課題組研究人員在ICL器件設(shè)計、材料外延和器件制備三個方面同時達到了較高的技術(shù)水平。課題組解決了高精度分子束外延材料生長控制和Sb化物激光器工藝中的一系列難點問題。在器件結(jié)構(gòu)上使用具有更高熱導(dǎo)率的AlGaAsSb四元合金層取代了常用的InAs/AlSb超晶格作為激光器覆蓋層材料，取得了令人激動的結(jié)果。本項工作為后續(xù)實用化的帶間級聯(lián)DFB激光器和帶間級聯(lián)高功率激光器研發(fā)打下了堅實的基礎(chǔ)。

　　圖1 （a）2.9mm腔長，7um脊波導(dǎo)寬度器件在10℃~80℃間連續(xù)工作的電流-光功率曲線和20℃時的電流-電壓曲線；（b）2.9mm腔長，7um脊波導(dǎo)寬度器件在不同溫度下的高分辨光譜圖。

　　圖2脈沖模式和連續(xù)工作模式下2.9mm腔長、7um脊波導(dǎo)寬度器件與2.9mm腔長、10um脊波導(dǎo)寬度器件的閾值電流密度-溫度（Jth-T）關(guān)系。