近日，學(xué)院張保平教授等在氮化鎵垂直腔面發(fā)射激光器(GaN基VCSEL)方面取得新進(jìn)展，相關(guān)成果以“Green Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers Based on InGaN Quantum Dots and Short Cavity”為題發(fā)表于期刊Nano-Micro Letters。
研究背景
VCSEL由于其具有圓形光束、尺寸小、閾值低、易于集成等特點(diǎn)而備受關(guān)注，紅外波段GaAs基VCSEL已經(jīng)被廣泛用于數(shù)據(jù)通信、3D識(shí)別和激光雷達(dá)等領(lǐng)域。在可見光波段，GaN基VCSEL在顯示、可見光通信和生物醫(yī)療等方面有極大的潛在應(yīng)用，因而成為GaN光電子器件的研究熱點(diǎn)，多個(gè)跨國企業(yè)（如索尼、日亞、斯坦雷電氣等）和著名科學(xué)家（如諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Nakamura教授和Akasaki教授等）都投入到GaN基VCSEL的開發(fā)研究。
目前，GaN基VCSEL通常使用InGaN 量子阱(QW)作為有源區(qū)。若要實(shí)現(xiàn)綠光VCSEL激射，需要提高QW的In組分，但高In組分將帶來很強(qiáng)的量子限制斯塔克效應(yīng)(QCSE)和高缺陷密度，使QW發(fā)光效率下降，難以實(shí)現(xiàn)綠光VCSEL激射。
電注入GaN基VCSEL的 (a)結(jié)構(gòu)示意圖(b)FIB-SEM圖(c)電注入EL光譜(d)PI曲線; (e)國內(nèi)外GaN基綠光VCSEL閾值電流密度與波長的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖
研究內(nèi)容
在本工作中，使用S-K模式下進(jìn)行生長的InGaN量子點(diǎn)(QD)作為有源區(qū)，有效減小極化電場并提高發(fā)光效率，實(shí)現(xiàn)了綠色GaN基VCSEL在連續(xù)電流注入下的室溫最低閾值激射，閾值電流密度僅為51.97 A/cm2，激射波長為524.0 nm。所使用的自組裝InGaN QD外延片，其高IQE以及類δ函數(shù)的態(tài)密度是實(shí)現(xiàn)低閾值電流的關(guān)鍵。
此外，器件的短腔(~4.0 λ)將自發(fā)輻射耦合因子提高到0.094，增加了增益系數(shù)，并有效降低了光損耗。VCSEL中的AlN電流限制層和電鍍銅支撐基板有效提高了器件的散熱性能。上述研究結(jié)果為實(shí)現(xiàn)高性能GaN基VCSEL提供了重要的基礎(chǔ)。
研究相關(guān)
上述工作由電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院張保平教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組與中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所劉建平教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組合作完成，第一作者為電子學(xué)院2021級(jí)博士生楊濤，通訊作者為梅洋助理教授、劉建平研究員和張保平教授。臺(tái)灣陽明交通大學(xué)郭浩中教授對(duì)QD外延片的CL測(cè)試數(shù)據(jù)提供了寶貴的建議和幫助，電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士生陳衍輝、王亞超、歐偉等也參與了該工作。
課題組長期進(jìn)行GaN基發(fā)光器件如諧振腔LED (RCLED)、Micro-LED、以及VCSEL研究，目前已成功實(shí)現(xiàn)藍(lán)紫光、藍(lán)光、綠光器件的電注入激射，并且在國際上首次實(shí)現(xiàn)了深紫外波段（UVC）VCSEL的光泵浦激射。該項(xiàng)工作得到了國家自然科學(xué)基金以及國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)的資助。（來源：廈門大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院）
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