Highly efficient long-wavelength infrared, step-tapered quantum cascade lasers

金属有机气相外延 光电子学 激光器 泄漏(经济) 材料科学 散射 量子效率 级联 光学 化学 物理 纳米技术 外延 图层(电子) 经济 宏观经济学 色谱法
作者
K. Oresick,Jeremy D. Kirch,L. J. Mawst,D. Botez
标识
DOI:10.1117/12.2582436
摘要

Step-taper active-region (STA) quantum cascade lasers (QCLs) allow for both carrier-leakage suppression and fast, miniband-like lower-laser (ll) level depopulation. That has led to an internal-efficiency value of ~ 77 % for ~ 5 μmemitting devices, a record-high value for 4.5-6.0 μm-emitting QCLs. We have recently shown that that value can be basically accounted for when considering both LO-phonon- and interface-roughness (IFR)-triggered carrier leakage from the upper-laser (ul) level and injector states. The same carrier-leakage analysis is applied to MOCVD-grown ~ 8.0 μmemitting, STA-type QCLs, and we find that the internal efficiency reaches a high value of ~ 73.6 %, due to a record-high injection-efficiency value (86.7 %) and to an IFR-enhanced laser-transition efficiency value of ~ 85 %. In contrast, for a conventional MOCVD-grown, ~ 8.0 μm-emitting QCLs the internal efficiency is found to be only ~ 55 %, typical of values extracted from experimental data of mid-infrared-emitting conventional QCLs. The ul-level lifetime is found to be controlled by LO-phonon and alloy-disorder (AD) scattering for typical MOCVD-grown QCLs, just like for 4.5-5.0 μm-emitting QCLs. However, for typical MBE-grown QCLs the ul-level lifetime is controlled by LO-phonon, AD and IFR scattering. The ll-level lifetime is found to controlled by both LO-phonon and IFR scattering. Besides the high internal-efficiency value, the use of excited-state injection and a low voltage defect result in the STA QCL reaching a single-facet wall-plug efficiency value of 10.6 %, a record-high single-facet value for 8-11 μm-emitting QCLs grown by MOCVD and holding potential for CW operation.
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