近日，國際半導體產(chǎn)業(yè)雜志Semiconductor Today報道了中國科學院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張子旸課題組與中國科學院半導體研究所劉峰奇、王占國實驗室合作研制中紅外寬譜光源陣列的最新成果。該成果發(fā)表在Optics Letters上。

中紅外寬譜光源基于半導體量子級聯(lián)材料，光源的有源層由30個重復的級聯(lián)周期組成，各周期之間通過低摻雜的n型InGaAs分隔開。研究人員所設(shè)計的有源區(qū)能帶結(jié)構(gòu)如圖1所示，它采用了雙聲子共振結(jié)構(gòu)，一個周期的有源區(qū)包含四個耦合的應變補償In0.678Ga0.322As/In0.365Al0.635As量子阱。這種結(jié)構(gòu)通過兩次光學聲子輔助弛豫來實現(xiàn)更高效的低能級載流子抽運，從而增大粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，提高自發(fā)輻射效率。使用這種材料結(jié)構(gòu)的寬譜光源具有閾值電流密度更低、輸出功率更高等優(yōu)勢。

圖1：基于四阱耦合雙聲子共振的量子級聯(lián)能帶結(jié)構(gòu)

為了獲得抑制激射實現(xiàn)超輻射發(fā)光所需要的低反射率（小于10-6），中紅外寬譜光源器件尺寸一般比較大，因此很難制備成集成的器件陣列結(jié)構(gòu)。研究人員所設(shè)計的寬譜光源器件波導結(jié)構(gòu)如圖2所示，這是一種雙溝道脊型分段波導器件結(jié)構(gòu)，由直條端、傾斜條形區(qū)、J型波導三部分組成。這種波導結(jié)構(gòu)通過兩次反射率的突變，利用比較小的器件尺寸就滿足了低反射率的要求。基于這一結(jié)構(gòu)，研究人員制備了一系列寬譜光源陣列，得到了室溫連續(xù)輸出功率2.4mW，譜寬199cm-1，遠場發(fā)散角20°。中紅外光源在大氣通信、空間遙感、化學檢測、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域有著重要應用。該工作得到國家重點研發(fā)計劃和自然科學基金的資助支持。

圖2：中紅外量子級聯(lián)寬譜光源器件陣列示意圖。

左上：顯微圖像，右上：SEM圖像。