常規(guī)的半導(dǎo)體激光器，如Fabry–Pérot（FP）腔激光器、分布式反饋（DFB）激光器以及垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）等，無法兼具單模、大功率、小發(fā)散角等優(yōu)良特性；而光子晶體面發(fā)射激光器（PCSEL）利用二維光子晶體的布拉格衍射，可實(shí)現(xiàn)大功率、小發(fā)散角的單模激光輸出（圖1），成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)之一。氮化鎵（GaN）基半導(dǎo)體材料為直接帶隙，發(fā)光波長(zhǎng)覆蓋了可見光到深紫外等波段，具有發(fā)光效率高、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，可用于制造PCSEL。GaN基PCSEL在新型顯示、材料加工、激光照明、水下通信、星間通信、芯片原子鐘、深空探測(cè)、原子雷達(dá)、激光醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，得到了廣泛關(guān)注。
圖1. FP腔邊發(fā)射激光器、DFB邊發(fā)射激光器、VCSEL和PCSEL的結(jié)構(gòu)示意圖、典型遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角及輸出光譜特性。
日本京都大學(xué)Noda教授團(tuán)隊(duì)于1999年首次提出了PCSEL的概念，并于2008年在Science 319,445 (2008)首次報(bào)道了GaN基紫光PCSEL的室溫電注入激射，隨后分別于2022年與日本Stanley公司合作、2024年與日本Nichia公司合作，將GaN基PCSEL的激射波長(zhǎng)進(jìn)一步拓展到藍(lán)光和綠光波段。目前，全球范圍內(nèi)僅有日本實(shí)現(xiàn)了GaN基PCSEL的電注入激射。
依托中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所建設(shè)的半導(dǎo)體顯示材料與芯片重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與蘇州實(shí)驗(yàn)室合作，近日研制出GaN基光子晶體面發(fā)射激光器，并實(shí)現(xiàn)了室溫電注入激射。
研究團(tuán)隊(duì)首先仿真設(shè)計(jì)了GaN基PCSEL器件結(jié)構(gòu)，隨后外延生長(zhǎng)了高質(zhì)量的GaN基激光器材料，并開發(fā)了低損傷的光子晶體刻蝕與鈍化工藝，制備了GaN基PCSEL器件，光子晶體區(qū)域尺寸為400×400 μ㎡（圖2）。通過角分辨光譜測(cè)量GaN基PCSEL在?Γ-X?方向上的能帶結(jié)構(gòu)（圖3），可以觀察到：注入電流較低時(shí)，能帶結(jié)構(gòu)清晰，輻射模式C的強(qiáng)度最大；隨著電流增大，非輻射模式B的強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，直至激射。通過測(cè)量能帶，可以確定器件是基模B的激射，閾值電流附近的模式半高寬約為0.05 nm。
圖2. (a) GaN基PCSEL的結(jié)構(gòu)示意圖，(b)光泵測(cè)試得到的光子晶體能帶結(jié)構(gòu)，光子晶體的(c)表面和(d)截面掃描電子顯微鏡圖。
圖3. (a-e)不同注入電流下測(cè)量得到的GaN基PCSEL Γ-X方向的能帶結(jié)構(gòu)，(f) GaN基PCSEL峰值波長(zhǎng)與光譜半高寬隨注入電流的變化曲線。
基于上述工作，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了GaN基光子晶體面發(fā)射激光器的室溫電注入激射（圖4），激射波長(zhǎng)約為415 nm，閾值電流為21.96 A，對(duì)應(yīng)閾值電流密度約為13.7 kA/c㎡，峰值輸出功率約為170 mW。下一步擬采用高質(zhì)量的GaN單晶襯底，設(shè)計(jì)新型的GaN基PCSEL結(jié)構(gòu)，并突破PCSEL器件制備與封裝散熱技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高功率（10~100 W）單模激光輸出。
圖4. GaN基PCSEL (a)不同注入電流下的電致發(fā)光光譜、(b)輸出光功率-電流-電壓曲線、(c)遠(yuǎn)場(chǎng)光斑，GaN基PCSEL激射(d)前、(e)后的近場(chǎng)圖像。
該研究成果由楊輝研究員、孫錢研究員和馮美鑫研究員共同指導(dǎo)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的工作人員和學(xué)生完成，相關(guān)論文正在撰寫中。相關(guān)工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、蘇州實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目等資助。
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