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GaN基垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)由于在微顯示、固態(tài)照明、高密度光存儲(chǔ)、高分辨率打印以及生物傳感等方面有著廣泛的應(yīng)用前景，吸引了眾多研究者的關(guān)注[1]。相比于邊發(fā)射激光器，VCSEL具有閾值低、發(fā)散角小、調(diào)制速率高、以及輸出光束呈圓對(duì)稱等優(yōu)點(diǎn)，且可制備成高密度二維器件陣列。在近20年中，GaN基VCSEL相關(guān)研究取得快速進(jìn)展, 已成為下一代半導(dǎo)體激光器的研究熱點(diǎn)，多家大型企業(yè)如日亞、索尼、松下、斯坦雷電器等都已開(kāi)始相關(guān)布局。

??目前，發(fā)光波長(zhǎng)覆蓋從紫光至綠光波段的GaN基VCSEL均已實(shí)現(xiàn)電注入激射，藍(lán)光波段器件性能已接近實(shí)用化水平[2]。但是在紫外波段(UV)，GaN基VCSEL的研究仍面臨較大困難[3]。其困難主要集中于高增益有源區(qū)的外延生長(zhǎng)、UV波段高反射率分布布拉格反射鏡(DBR)的制備，以及UV波段低損耗諧振腔的制備。目前國(guó)際上進(jìn)行UV波段GaN基VCSEL研究單位主要有廈門大學(xué)、查爾姆斯理工大學(xué)、以及喬治亞理工大學(xué)等。

??近日，廈門大學(xué)的研究小組通過(guò)制備低損耗的諧振腔以及在有源區(qū)中引入周期性增益結(jié)構(gòu)，成功實(shí)現(xiàn)了UVA波段GaN基VCSEL的可調(diào)諧低閾值光泵浦激射，發(fā)光波長(zhǎng)覆蓋376-409 nm的光譜范圍。

??器件結(jié)構(gòu)如圖1a 所示，諧振腔采用厚度漸變的楔形結(jié)構(gòu)，因此可利用腔長(zhǎng)的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)諧振腔內(nèi)光場(chǎng)分布以及諧振波長(zhǎng)的調(diào)制，在單個(gè)樣品不同位置實(shí)現(xiàn)激射波長(zhǎng)的漸變，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)光波長(zhǎng)的可調(diào)諧，不同位置發(fā)光光譜如圖1c 所示。

??此外，樣品有源區(qū)具有周期性增益結(jié)構(gòu)，即通過(guò)外延設(shè)計(jì)將量子阱有源區(qū)分為兩組，并分別置于諧振腔內(nèi)光場(chǎng)駐波的兩個(gè)波腹處，從而實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)與有源區(qū)更好的耦合，實(shí)現(xiàn)更好的增益效果，如圖1b 所示。周期性增益結(jié)構(gòu)有效地將器件閾值降低至388-466 kW/cm2，是UV VCSEL中較低水平。

圖1.(a)器件楔形諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖;(b)具有周期性增益有源區(qū)的外延結(jié)構(gòu)示意圖;(c)樣品不同區(qū)域的激射光譜。

主要作者：
??張保平 廈門大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副院長(zhǎng)，閩江學(xué)者特聘教授
??梅 洋 廈門大學(xué)助理教授