厦门大学发表绿光GaN基VCSEL重要成果

近日，厦门大学电子科学与技术学院张保平教授等在氮化镓垂直腔面发射激光器（GaN基VCSEL）方面取得新进展，相关成果以“Green Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers Based on InGaN Quantum Dots and Short Cavity”为题发表于期刊Nano-Micro Letters。

一、研究背景

VCSEL由于其具有圆形光束、尺寸小、阈值低、易于集成等特点而备受关注，红外波段GaAs基VCSEL已经被广泛用于数据通信、3D识别和激光雷达等领域。在可见光波段，GaN基VCSEL在显示、可见光通信和生物医疗等方面有极大的潜在应用，因而成为GaN光电子器件的研究热点，多个跨国企业（如索尼、日亚、斯坦雷电气等）和著名科学家（如诺贝尔奖获得者Nakamura教授和Akasaki教授等）都投入到GaN基VCSEL的开发研究。

目前，GaN基VCSEL通常使用InGaN 量子阱（QW）作为有源区。若要实现绿光VCSEL激射，需要提高QW的In组分，但高In组分将带来很强的量子限制斯塔克效应（QCSE）和高缺陷密度，使QW发光效率下降，难以实现绿光VCSEL激射。

电注入GaN基VCSEL的 （a）结构示意图（b）FIB-SEM图（c）电注入EL光谱（d）PI曲线; （e）国内外GaN基绿光VCSEL阈值电流密度与波长的对应关系图

二、研究内容

在本工作中，使用S-K模式下进行生长的InGaN量子点（QD）作为有源区，有效减小极化电场并提高发光效率，实现了绿色GaN基VCSEL在连续电流注入下的室温最低阈值激射，阈值电流密度仅为51.97 A/cm2，激射波长为524.0 nm。所使用的自组装InGaN QD外延片，其高IQE以及类δ函数的态密度是实现低阈值电流的关键。

此外，器件的短腔（~4.0 λ）将自发辐射耦合因子提高到0.094，增加了增益系数，并有效降低了光损耗。VCSEL中的AlN电流限制层和电镀铜支撑基板有效提高了器件的散热性能。上述研究结果为实现高性能GaN基VCSEL提供了重要的基础。

三、研究相关

上述工作由电子科学与技术学院张保平教授领导的课题组与中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所刘建平教授领导的课题组合作完成，第一作者为电子学院2021级博士生杨涛，通讯作者为梅洋助理教授、刘建平研究员和张保平教授。中国台湾阳明交通大学郭浩中教授对QD外延片的CL测试数据提供了宝贵的建议和帮助，电子科学与技术学院博士生陈衍辉、王亚超、欧伟等也参与了该工作。

课题组长期进行GaN基发光器件如谐振腔LED （RCLED）、Micro LED、以及VCSEL研究，目前已成功实现蓝紫光、蓝光、绿光器件的电注入激射，并且在国际上首次实现了深紫外波段（UVC）VCSEL的光泵浦激射。该项工作得到了国家自然科学基金以及国家重点研发计划重点专项的资助。（来源：厦大科技）

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