在飞秒激光照射下，薄型GSST薄膜的相位变化依赖于波长

垂直腔面发射激光器在350纳米波段工作，采用双介质分布式布拉格反射器和AlGaN腔体结构，通过硅基转移技术制备，阈值泵浦功率密度达0.8 MW/cm2，是当前最低之一，为小型高效紫外光源开发提供潜力。

　　

杨梅|彭固|徐荣斌|应雷英|杨静|赵德刚|梁峰|张宝平

厦门大学微电子与集成电路系微纳光电子实验室，中国厦门361005

摘要

我们成功研制了工作在350纳米波段的电泵浦垂直腔面发射激光器（VCSEL）。这些VCSEL采用了双介质分布式布拉格反射器，并在Si（100）衬底上通过衬底转移技术和激光剥离工艺制造了AlGaN腔体。作为增益材料，使用了不含铟的GaN/Al_0.1GaN多量子阱（MQW）活性区。通过温度和激发功率依赖的光致发光测量系统研究了增益材料的光学特性，并证实了GaN/Al_0.1GaN MQW中的载流子局域化效应。所制备的VCSEL的最短激光波长约为356纳米，低于GaN的带隙。这些UVA VCSEL的阈值泵浦功率密度约为0.8 MW/cm²，属于紫外（UV）VCSEL中较低的数值之一。这项研究对于开发小型、高效UV光源具有重要意义。

引言

基于半导体的紫外（UV）激光器因其高光子能量和低衍射极限，在化学/生物化学分析、高密度数据存储、材料加工和激光光刻等领域具有广泛应用前景[1]、[2]、[3]。与传统气体和固态UV激光器相比，它们还具有能效高、稳定性好、无需预热以及体积小等优点。作为典型的半导体激光器类型，垂直腔面发射激光器（VCSEL）具有低阈值操作、圆形且发散角小的输出光束以及较低的温度敏感性[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。迄今为止，基于GaAs的VCSEL在近红外波段已在短距离数据通信中取得成功，并且随着面部识别和自动驾驶等3D传感应用的需求增加而得到进一步发展。为了将VCSEL的发射波长扩展到可见光和紫外波段，III族氮化物材料（如InGaN、GaN、AlGaN和AlN）是理想的选择，因为它们具有宽且可调的直接带隙（GaN为3.4 eV，AlN为6.0 eV）[9]、[10]。然而，与蓝光和绿光VCSEL相比，UV VCSEL的发展仍然面临挑战，目前尚未实现电注入且波长小于400纳米的VCSEL。即使在光泵浦激发方案下，相关研究也非常有限，大多数研究基于的InGaN活性层的激光波长也超过363纳米，或者光子能量低于GaN的带隙[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。

对于含有少量铟的InGaN活性层的UV VCSEL，由于富含铟的团簇的存在，发射效率得到提升，这有助于电子和空穴在局域化中心捕获[1]。然而，由于InN的带隙非常小且生长条件敏感，铟的加入会抑制较短紫外波长的发射。为了进一步将发射波长推向更短的紫外范围，需要使用不含铟的GaN或AlGaN活性层，尽管活性层中缺乏铟会增加非辐射复合的概率。因此，生长高质量的无铟活性层以确保无需铟辅助即可实现高发射效率至关重要。早在1996年，Redwing等人就制造了采用Al_0.40Ga_0.60N/Al_0.12Ga₈₈N分布式布拉格反射器（DBR）的UVA VCSEL，活性层采用10微米厚的无铟GaN[19]。在363纳米处实现了电泵浦激光，阈值功率密度约为2 MW/cm²。2018年，Lu等人也报道了采用3.8微米厚GaN活性层的UVA VCSEL[20]。他们使用TiO₂基高对比度光栅（HCG）作为顶镜，实现了369.1纳米的激光发射。然而，GaN的带隙限制了其发射波长，且与量子阱（QWs）和量子点等结构相比，其差分增益较低[21]。2020年，Hjort等人通过生长高质量Al_0.2GaN/Al_0.5GaN MQW并制造低损耗的双介质DBR腔体，首次实现了310纳米的UVB VCSEL发射[22]、[23]。在我们之前的工作中，我们也成功制造了采用Al_0.4GaN/Al_0.5GaN MQW活性区的275.9纳米UVC VCSEL[3]。但对于在UVA波段（320纳米-400纳米）工作的VCSEL（这些波段在UV固化、光疗、空气净化和3D打印等领域具有重要意义），目前尚未有报道指出其激光波长低于GaN的带隙。

在本研究中，我们展示了基于不含铟的GaN/Al_0.1GaN MQW活性区和双介质DBR腔体的350纳米UVA VCSEL。外延结构首先在蓝宝石衬底上生长，然后转移到Si（100）衬底上。在室温下，通过0.8 MW/cm²的阈值激发功率密度实现了356纳米处的电泵浦激光发射。

材料与方法

本研究中使用的外延晶圆是在蓝宝石衬底上通过MOCVD系统生长的。VCSEL的外延结构及制造过程如图1所示。UVA VCSEL包含一个约1微米厚的AlGaN腔体，其中包含两个GaN量子阱（MQWs），夹在两个反射率为99%的HfO₂/SiO₂ DBR之间（上层8.5对，下层12.5对）。

结果与讨论

在外延晶圆和UVA VCSEL的发射光谱测量中，使用了重复频率为20 Hz、脉冲宽度为5 ns的320纳米脉冲激光进行激发。激发激光通过显微镜物镜（40×NUV）聚焦在样品表面，激发光斑直径约为160微米。随后，光通过空气引导至带有电制冷电荷耦合器件（CCD）作为检测器的单色仪中。图2显示了温度对发射光谱的影响。

结论

总结而言，我们在室温下通过光泵浦条件成功制备了工作在350纳米波段的GaN/AlGaN MQW VCSEL。其最短激光波长为356纳米，超出了GaN的带隙，激光阈值为0.8 MW/cm²。这项研究为GaN基UVA光源的发展提供了有力支持，通过提高材料质量和器件设计，未来有望实现电注入的UVA VCSEL。

作者贡献声明

杨梅：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、方法论、数据分析、概念构思。彭固：方法论、实验研究、数据分析。徐荣斌：方法论。应雷英：方法论。杨静：方法论。赵德刚：资源获取、实验研究。梁峰：方法论。张宝平：概念构思。

资助

本工作得到了以下机构的支持：福建省自然科学基金（编号：2023J05020）；国家自然科学基金（编号：62474150、U21A20493、62234011）；国家重点研发计划（编号：2024YFB3613100）；广东省自然科学基金（编号：2025A1515011349）。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。