廈門大學張保平教授課題組發表綠光GaN基VCSEL重要成果

近日，電子科學與技術學院張保平教授等在氮化鎵垂直腔面發射激光器(GaN基VCSEL)方面取得新進展，相關成果以“Green Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers based on InGaN Quantum Dots and Short Cavity”為題發表于期刊Nano-Micro Letters。

一、研究背景

VCSEL由于其具有圓形光束、尺寸小、閾值低、易于集成等特點而備受關注，紅外波段GaAs基VCSEL已經被廣泛用于數據通信、3D識別和激光雷達等領域。在可見光波段，GaN基VCSEL在顯示、可見光通信和生物醫療等方面有極大的潛在應用，因而成為GaN光電子器件的研究熱點，多個跨國企業（如索尼、日亞、斯坦雷電氣等）和著 名科學家（如諾貝爾獎獲得者Nakamura教授和Akasaki教授等）都投入到GaN基VCSEL的開發研究。目前，GaN基VCSEL通常使用InGaN 量子阱(QW)作為有源區。若要實現綠光VCSEL激射，需要提高QW的In組分，但高In組分將帶來很強的量子限制斯塔克效應(QCSE)和高缺陷密度，使QW發光效率下降，難以實現綠光VCSEL激射。

電注入GaN基VCSEL的 (a)結構示意圖(b)FIB-SEM圖(c)電注入EL光譜(d)PI曲線; (e)國內外GaN基綠光VCSEL閾值電流密度與波長的對應關系圖

二、研究內容

在本工作中，使用S-K模式下進行生長的InGaN量子點(QD)作為有源區，有效減小極化電場并提高發光效率，實現了綠色GaN基VCSEL在連續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函數的態密度是實現低閾值電流的關鍵。此外，器件的短腔(~4.0 λ)將自發輻射耦合因子提高到0.094，增加了增益系數，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。上述研究結果為實現高性能GaN基VCSEL提供了重要的基礎。

三、研究相關

上述工作由電子科學與技術學院張保平教授領導的課題組與中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所劉建平教授領導的課題組合作完成，第 一作者為電子學院2021級博士生楊濤，通訊作者為梅洋助理教授、劉建平研究員和張保平教授。臺灣陽明交通大學郭浩中教授對QD外延片的CL測試數據提供了寶貴的建議和幫助，電子科學與技術學院博士生陳衍輝、王亞超、歐偉等也參與了該工作。課題組長期進行GaN基發光器件如諧振腔LED (RCLED)、micro-LED、以及VCSEL研究，目前已成功實現藍紫光、藍光、綠光器件的電注入激射，并且在國際上首次實現了深紫外波段（UVC）VCSEL的光泵浦激射。該項工作得到了國家自然科學基金以及國家重點研發計劃重點專項的資助。