中國科學院蘇州納米所研制出氮化鎵光子晶體面發射激光器

常規的半導體激光器，如Fabry–Pérot（FP）腔激光器、分布式反饋（DFB）激光器以及垂直腔面發射激光器（VCSEL）等，無法兼具單模、大功率、小發散角等優良特性；而光子晶體面發射激光器（PCSEL）利用二維光子晶體的布拉格衍射，可實現大功率、小發散角的單模激光輸出（圖1），成為國內外研究熱點之一。氮化鎵（GaN）基半導體材料為直接帶隙，發光波長覆蓋了可見光到深紫外等波段，具有發光效率高、化學穩定性好等優點，可用于制造PCSEL。GaN基PCSEL在新型顯示、材料加工、激光照明、水下通信、星間通信、芯片原子鐘、深空探測、原子雷達、激光醫療等領域具有廣闊的應用前景，得到了廣泛關注。

圖1. FP腔邊發射激光器、DFB邊發射激光器、VCSEL和PCSEL的結構示意圖、典型遠場發散角及輸出光譜特性。

日本京都大學Noda教授團隊于1999年首次提出了PCSEL的概念，并于2008年在Science 319,445 (2008)首次報道了GaN基紫光PCSEL的室溫電注入激射，隨后分別于2022年與日本Stanley公司合作、2024年與日本Nichia公司合作，將GaN基PCSEL的激射波長進一步拓展到藍光和綠光波段。目前，全球范圍內僅有日本實現了GaN基PCSEL的電注入激射。

依托中國科學院蘇州納米所建設的半導體顯示材料與芯片重點實驗室與蘇州實驗室合作，近日研制出GaN基光子晶體面發射激光器，并實現了室溫電注入激射。

研究團隊首先仿真設計了GaN基PCSEL器件結構，隨后外延生長了高質量的GaN基激光器材料，并開發了低損傷的光子晶體刻蝕與鈍化工藝，制備了GaN基PCSEL器件，光子晶體區域尺寸為400×400 μ㎡（圖2）。通過角分辨光譜測量GaN基PCSEL在?Γ-X?方向上的能帶結構（圖3），可以觀察到：注入電流較低時，能帶結構清晰，輻射模式C的強度最大；隨著電流增大，非輻射模式B的強度顯著增強，直至激射。通過測量能帶，可以確定器件是基模B的激射，閾值電流附近的模式半高寬約為0.05 nm。

圖2. (a) GaN基PCSEL的結構示意圖，(b)光泵測試得到的光子晶體能帶結構，光子晶體的(c)表面和(d)截面掃描電子顯微鏡圖。

圖3. (a-e)不同注入電流下測量得到的GaN基PCSEL Γ-X方向的能帶結構，(f) GaN基PCSEL峰值波長與光譜半高寬隨注入電流的變化曲線。

基于上述工作，研究團隊實現了GaN基光子晶體面發射激光器的室溫電注入激射（圖4），激射波長約為415 nm，閾值電流為21.96 A，對應閾值電流密度約為13.7 kA/c㎡，峰值輸出功率約為170 mW。下一步擬采用高質量的GaN單晶襯底，設計新型的GaN基PCSEL結構，并突破PCSEL器件制備與封裝散熱技術，實現高功率（10~100 W）單模激光輸出。

圖4. GaN基PCSEL (a)不同注入電流下的電致發光光譜、(b)輸出光功率-電流-電壓曲線、(c)遠場光斑，GaN基PCSEL激射(d)前、(e)后的近場圖像。

該研究成果由楊輝研究員、孫錢研究員和馮美鑫研究員共同指導重點實驗室的工作人員和學生完成，相關論文正在撰寫中。相關工作得到了國家重點研發計劃項目、蘇州實驗室項目等資助。