據(jù)了解，廈門大學電子科學與技術(shù)學院張保平教授課題組在深紫外波段（UVC）垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）方面取得新進展，相關(guān)成果以“High-quality AlGaN epitaxial structures and realization of UVC vertical-cavity surface-emitting lasers”為題發(fā)表于期刊Science China Materials （IF:8.65）。

圖1 所用外延片結(jié)構(gòu)及光泵UVC VCSEL工藝流程

VCSEL由于具有在片測試、單模輸出、價格低、可以二維排列、圓形光束、小發(fā)散角、易于準直和波長漂移小等優(yōu)點, 自1977年提出以來，一直受到科研和產(chǎn)業(yè)的極大關(guān)注。基于GaAs的VCSEL已經(jīng)成功應用于3D成像、激光雷達、光通訊等領(lǐng)域。與GaAs相比，III族氮化物具有直接帶隙、耐高溫、抗輻射、高擊穿電壓和高熱導率等優(yōu)點，其禁帶寬度從InN的0.76 eV連續(xù)變化到AlN的6.14 eV，非常適合用于紫外~可見發(fā)光器件，包括VCSEL。

圖2 UVC VCSEL激射光譜以及激射閾值

AlGaN基VCSEL由于其的優(yōu)越的材料性質(zhì)和器件優(yōu)點，已經(jīng)吸引了很多關(guān)注。然而，由于材料外延生長和器件制備工藝的困難，AlGaN基VCSEL制備很困難。該工作通過側(cè)向外延生技術(shù)制備了高質(zhì)量的AlGaN多量子阱（MQWs）結(jié)構(gòu)的外延片，并通過X射線衍射（XRD）和光致發(fā)光（PL）等實驗對外延片進行了分析。XRD測量顯示，外延片中的AlN模板層幾乎是弛豫的，刃位錯密度為109 cm-2。隨后生長的AlGaN/AlN超晶格（SL）層被用來減少刃位錯密度，使得量子阱中的位錯密度為108 cm-2。根據(jù)PL測試結(jié)果，MQWs的內(nèi)量子效率（IQE）為62%，且在室溫下發(fā)光以輻射復合為主。通過激光剝離（LLO）和化學機械拋光（CMP）技術(shù)，將這些外延片制備成UVC VCSEL。經(jīng)過這些工藝，MQWs的晶體質(zhì)量沒有受到影響，甚至觀察到了UVC波段的受激輻射。這些AlGaN基UVC VCSEL在275.91、276.28和277.64 nm實現(xiàn)了激射，最小的激射閾值為0.79 MW/cm2。

圖3 已經(jīng)報道的氮化物VCSEL的激射閾值與波長的關(guān)系

上述工作由我院張保平教授領(lǐng)導的課題組與上海中微半導體郭世平博士合作完成，廈門大學為該論文的第一署名單位，第一作者為鄭重明博士后，通訊作者為郭世平博士和張保平教授。課題組長期進行GaN基發(fā)光器件如VCSEL、諧振腔LED（RCLED）、micro-LED研究，是大陸唯一成功實現(xiàn)電注入藍紫光、藍光、綠光VCSEL的科研團隊，并于2016年實現(xiàn)了國際上首個黃綠光波段VCSEL。此次成果是國際上首個在UVC波段激射的VCSEL。

該項工作得到了國家重點研發(fā)計劃以及國家自然科學基金的資助。

文章鏈接：https://doi.org/10.1007/s40843-022-2310-5

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