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AlGaN納線激光二極管發(fā)射239nm深紫外光
材料來(lái)源:lfwc           錄入時(shí)間:2017/5/11 10:36:39

 

/John Wallace

 

多年來(lái),激光二極管的短波長(zhǎng)極限,已經(jīng)從可見光譜的紅光端移動(dòng)到了近紫外波段。然而許多應(yīng)用,例如用于化學(xué)和生物化學(xué)傳感、表面分析和醫(yī)學(xué)用途的拉曼光譜,可以受益于深紫外發(fā)射激光二極管的發(fā)展,這類激光二極管可以用電池供電,用于便攜式儀器中。

 

激光二極管可以倍頻和四倍頻,以產(chǎn)生短于193nm波長(zhǎng)的窄帶輸出深紫外光。雖然這些激光器比其他類型的深紫外光源(如準(zhǔn)分子激光器)更緊湊且用戶友好,但是它們?nèi)匀徊幌癯R?guī)激光二極管那么小巧、簡(jiǎn)單和低功耗。

 

最近,加拿大麥吉爾大學(xué)的研究人員制造出了一種氮化鋁鎵(AlGaN)激光二極管,其能夠輸出波長(zhǎng)239nm的深紫外光,在室溫下運(yùn)行,并且為電泵浦。[1]此外,該原型具有約0.35mA的非常低的閾值電流。

 

反向錐形納米線

 

模擬研究表明,隨機(jī)分布的AlGaN納米線可以強(qiáng)烈約束在240nm光譜區(qū)域的深紫外光子。研究人員確定了反向錐形納米線結(jié)構(gòu),以使通過(guò)下面的硅(Si)襯底的損耗最小。

 

在制造工藝中,納米線自發(fā)地形成在Si襯底上,并且每個(gè)具有由n-GaN接觸層、n-AlGaN覆層、AlGaN有源區(qū)、p-AlGaN覆層和p-GaN接觸層組成的結(jié)構(gòu)(如圖1所示)。研究人員介紹說(shuō),由納米線的隨機(jī)排列引起的光子重復(fù)散射導(dǎo)致干涉,并因此導(dǎo)致強(qiáng)的光局域化。

 

1:電注入AlGaN激光器由反向錐形納米線的隨機(jī)排列組成,如圖中所示。

 

AlGaN納米線的平均填充因子為0.55。由于納米線的不均勻性和制造的不完善,實(shí)際電流注入和激光運(yùn)行僅在其中約50%中發(fā)生。單根納米線的計(jì)算腔體積和載流子復(fù)合體積分別為0.627μm30.165μm3

 

首先,使用193nm波長(zhǎng)的激發(fā)源進(jìn)行室溫光致發(fā)光(PL)研究。所得到的PL光譜在246nm處具有20nm帶寬的發(fā)射峰,表明高達(dá)70%Al組成和良好的Al均勻性。大約位于210nm處的第二個(gè)峰,表明AlN殼形成在AlGaN納米線側(cè)壁上,這有助于抑制非輻射表面復(fù)合。

 

接下來(lái),通過(guò)光刻和金屬化方法來(lái)制造電注入的激光二極管。研究人員測(cè)量了低于和高于激光閾值的室溫電致發(fā)光光譜。在閾值下工作,產(chǎn)生寬發(fā)射光譜。當(dāng)電流達(dá)到0.35mA閾值時(shí),239nm激光線開始出現(xiàn)。在閾值處,線寬約為0.9nm,但隨著電流逐漸升高到約1.4mA,線寬逐漸升高到約1.4nm。

 

研究人員先前已經(jīng)展示了在262nm289nm發(fā)射的電注入AlGaN納米線深紫外激光器。這些激光器具有高得多的組成調(diào)控,形成量子點(diǎn)狀結(jié)構(gòu),產(chǎn)生僅僅幾十微安的非常低的閾值電流。[2,3]但是因?yàn)楦呓M成調(diào)控抑制較短波長(zhǎng)的激光發(fā)射,研究人員不得不提高組成均勻性,以在239nm產(chǎn)生激光發(fā)射。較高的均勻性導(dǎo)致量子點(diǎn)狀性質(zhì)消失,并將閾值電流提高到0.35mA。但是239nm的閾值電流仍然相當(dāng)?shù)停@將有助于實(shí)現(xiàn)基于激光的、電池供電的深紫外儀器。

 

參考文獻(xiàn)

1. S. Zhao et al., Appl. Phys. Lett., 109, 191106 (2016).

2. S. Zhao et al., Nano Lett., 15, 7801 (2015).

3. S. Zhao et al., Appl. Phys. Lett., 107, 043101 (2015).

 


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