GaN基垂直腔面發(fā)射激光器獲重要進(jìn)展

  GaN基垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)由于在微顯示、固態(tài)照明、高密度光存儲、高分辨率打印以及生物傳感等方面有著廣泛的應(yīng)用前景，吸引了眾多研究者的關(guān)注[1]。相比于邊發(fā)射激光器，VCSEL具有閾值低、發(fā)散角小、調(diào)制速率高、以及輸出光束呈圓對稱等優(yōu)點，且可制備成高密度二維器件陣列。在近20年中，GaN基VCSEL相關(guān)研究取得快速進(jìn)展, 已成為下一代半導(dǎo)體激光器的研究熱點，多家大型企業(yè)如日亞、索尼、松下、斯坦雷電器等都已開始相關(guān)布局。

  目前，發(fā)光波長覆蓋從紫光至綠光波段的GaN基VCSEL均已實現(xiàn)電注入激射，藍(lán)光波段器件性能已接近實用化水平[2]。但是在紫外波段(UV)，GaN基VCSEL的研究仍面臨較大困難[3]。其困難主要集中于高增益有源區(qū)的外延生長、UV波段高反射率分布布拉格反射鏡(DBR)的制備，以及UV波段低損耗諧振腔的制備。目前國際上進(jìn)行UV波段GaN基VCSEL研究單位主要有廈門大學(xué)、查爾姆斯理工大學(xué)、以及喬治亞理工大學(xué)等。

  近日，廈門大學(xué)的研究小組通過制備低損耗的諧振腔以及在有源區(qū)中引入周期性增益結(jié)構(gòu)，成功實現(xiàn)了UVA波段GaN基VCSEL的可調(diào)諧低閾值光泵浦激射，發(fā)光波長覆蓋376-409 nm的光譜范圍。

  器件結(jié)構(gòu)如圖1a 所示，諧振腔采用厚度漸變的楔形結(jié)構(gòu)，因此可利用腔長的變化實現(xiàn)對諧振腔內(nèi)光場分布以及諧振波長的調(diào)制，在單個樣品不同位置實現(xiàn)激射波長的漸變，從而實現(xiàn)發(fā)光波長的可調(diào)諧，不同位置發(fā)光光譜如圖1c 所示。

  此外，樣品有源區(qū)具有周期性增益結(jié)構(gòu)，即通過外延設(shè)計將量子阱有源區(qū)分為兩組，并分別置于諧振腔內(nèi)光場駐波的兩個波腹處，從而實現(xiàn)光場與有源區(qū)更好的耦合，實現(xiàn)更好的增益效果，如圖1b 所示。周期性增益結(jié)構(gòu)有效地將器件閾值降低至388-466 kW/cm2，是UV VCSEL中較低水平。

圖1.(a)器件楔形諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖;(b)具有周期性增益有源區(qū)的外延結(jié)構(gòu)示意圖;(c)樣品不同區(qū)域的激射光譜。

  參 考 文 獻(xiàn)

  [1] K. Iga, Vertical-cavity surface-emitting laser: its conception and evolution. Japanese Journal of Applied Physics 47 (2008) 1.

  [2] K. Terao, H. Nagai, D. Morita, S. Masui, T. Yanamoto, S. Nagahama, Blue and green GaN-based vertical-cavity surface-emitting lasers with AlInN/GaN DBR. Gallium Nitride Materials and Devices XVI. International Society for Optics and Photonics, 2021, 11686: 116860E.

  [3] Z. Zheng, Y. Mei, H. Long, J. Hoo, S. Guo, Q. Li, L. Ying, Z. Zheng, B. Zhang, AlGaN-Based Deep Ultraviolet Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser. IEEE Electron Device Letters 42 (2021) 375-378.以上內(nèi)容節(jié)選自期刊Fundamental Research 2021年第6期發(fā)表的文章“Y. Mei, T. Yang, W. Ou, et al., Low-threshold wavelength-tunable ultraviolet vertical-cavity surface-emitting lasers from 376 to 409nm, Fundamental Research 1(6)(2021) 684-690”。

  主要作者：

  張保平 廈門大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副院長，閩江學(xué)者特聘教授

  梅 洋 廈門大學(xué)助理教授