GaN基垂直腔面發(fā)射激光器獲重要進展

  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用前景，吸引了眾多研究者的關注[1]。相比于邊發(fā)射激光器，VCSEL具有閾值低、發(fā)散角小、調制速率高、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相關研究取得快速進展, 已成為下一代半導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均已實現電注入激射，藍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。目前國際上進行UV波段GaN基VCSEL研究單位主要有廈門大學、查爾姆斯理工大學、以及喬治亞理工大學等。

  近日，廈門大學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構，成功實現了UVA波段GaN基VCSEL的可調諧低閾值光泵浦激射，發(fā)光波長覆蓋376-409 nm的光譜范圍。

  器件結構如圖1a 所示，諧振腔采用厚度漸變的楔形結構，因此可利用腔長的變化實現對諧振腔內光場分布以及諧振波長的調制，在單個樣品不同位置實現激射波長的漸變，從而實現發(fā)光波長的可調諧，不同位置發(fā)光光譜如圖1c 所示。

  此外，樣品有源區(qū)具有周期性增益結構，即通過外延設計將量子阱有源區(qū)分為兩組，并分別置于諧振腔內光場駐波的兩個波腹處，從而實現光場與有源區(qū)更好的耦合，實現更好的增益效果，如圖1b 所示。周期性增益結構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)器件楔形諧振腔結構示意圖;(b)具有周期性增益有源區(qū)的外延結構示意圖;(c)樣品不同區(qū)域的激射光譜。

  參 考 文 獻

  [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 廈門大學電子科學與技術學院副院長，閩江學者特聘教授

  梅 洋 廈門大學助理教授