量子級聯(lián)激光器（QCLs）是覆蓋中紅外到太赫茲區(qū)的緊湊而強大的光源，已被應用于各種科學和工業(yè)領域，如光學頻率梳和氣體傳感。為了實現(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)，因為它有兩個主要特點：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技術生長的QCL產能低、成本高。金屬有機物化學氣相沉積（MOCVD）是另一種半導體材料高質量外延技術，具有產量高、成本低的特點，對于推動半導體材料和器件批量化應用方面具有明顯優(yōu)勢，但將其應用于QCL外延生長時，界面控制存在巨大挑戰(zhàn)。

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

圖1. 右圖為高分辨率XRD實驗（藍色曲線）和模擬（紅色曲線）結果，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-電壓關系圖。

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

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.]， 并作為封面文章進行了展示。工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、北京市科技委項目、中科院重點項目等多個項目的支持。