GaN基垂直腔面发射激光器获重要进展

  GaN基垂直腔面发射激光器(VCSEL)由于在微显示、固态照明、高密度光存储、高分辨率打印以及生物传感等方面有着广泛的应用前景，吸引了众多研究者的关注[1]。相比于边发射激光器，VCSEL具有阈值低、发散角小、调制速率高、以及输出光束呈圆对称等优点，且可制备成高密度二维器件阵列。在近20年中，GaN基VCSEL相关研究取得快速进展, 已成为下一代半导体激光器的研究热点，多家大型企业如日亚、索尼、松下、斯坦雷电器等都已开始相关布局。

  目前，发光波长覆盖从紫光至绿光波段的GaN基VCSEL均已实现电注入激射，蓝光波段器件性能已接近实用化水平[2]。但是在紫外波段(UV)，GaN基VCSEL的研究仍面临较大困难[3]。其困难主要集中于高增益有源区的外延生长、UV波段高反射率分布布拉格反射镜(DBR)的制备，以及UV波段低损耗谐振腔的制备。目前国际上进行UV波段GaN基VCSEL研究单位主要有厦门大学、查尔姆斯理工大学、以及乔治亚理工大学等。

  近日，厦门大学的研究小组通过制备低损耗的谐振腔以及在有源区中引入周期性增益结构，成功实现了UVA波段GaN基VCSEL的可调谐低阈值光泵浦激射，发光波长覆盖376-409 nm的光谱范围。

  器件结构如图1a 所示，谐振腔采用厚度渐变的楔形结构，因此可利用腔长的变化实现对谐振腔内光场分布以及谐振波长的调制，在单个样品不同位置实现激射波长的渐变，从而实现发光波长的可调谐，不同位置发光光谱如图1c 所示。

  此外，样品有源区具有周期性增益结构，即通过外延设计将量子阱有源区分为两组，并分别置于谐振腔内光场驻波的两个波腹处，从而实现光场与有源区更好的耦合，实现更好的增益效果，如图1b 所示。周期性增益结构有效地将器件阈值降低至388-466 kW/cm2，是UV VCSEL中较低水平。

图1.(a)器件楔形谐振腔结构示意图;(b)具有周期性增益有源区的外延结构示意图;(c)样品不同区域的激射光谱。

  参 考 文 献

  [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.以上内容节选自期刊Fundamental Research 2021年第6期发表的文章“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：

  张保平 厦门大学电子科学与技术学院副院长，闽江学者特聘教授

  梅 洋 厦门大学助理教授