国际首次实现紫外GaN基VCSEL室温连续激射

麦姆斯咨询获悉，近日，厦门大学梅洋助理教授、张保平教授团队联合中国科学院半导体研究所赵德刚研究员、杨静研究员团队，在紫外波段氮化镓（GaN）基垂直腔面发射激光器（VCSEL）研究方面取得重要突破。相关研究成果以GaN-based ultraviolet vertical-cavity surface-emitting lasers operating under room-temperature continuous-wave current injection为题，发表于国际应用物理领域期刊Applied Physics Letters。

这项研究工作首次实现了室温连续电流注入条件下紫外GaN基VCSEL连续激射，成功将电驱动GaN基VCSEL的工作波长拓展至380.1 nm，填补了国际上400 nm以下紫外波段电注入GaN基VCSEL连续激射的空白，为紫外半导体激光器的发展迈出了关键一步。

（a）采用双介质DBR的紫外VCSEL结构，以及（b）DBR的透射率光谱

GaN基VCSEL因具有低阈值、圆形光斑、易于二维阵列集成等优势，在照明显示、光通信、海洋探测、生物医疗、紫外固化及杀菌消毒等领域具有广阔应用前景。目前，蓝光至绿光GaN基VCSEL技术已取得较快发展，但波长进入400 nm以下紫外区域后，VCSEL长期面临光学损耗大、散热困难等技术瓶颈。

研究团队指出，传统VCSEL主要存在两方面限制：一方面，广泛采用的ITO透明导电层在紫外波段具有较高吸收损耗，严重降低腔内光子效率；另一方面，传统SiO?电流限制层导热能力较弱，器件工作过程中产生的热量难以及时散发，导致连续电注入激射难以实现。因此，此前国际公开报道的电注入GaN基VCSEL工作波长均高于400 nm。

针对上述难题，厦门大学团队围绕器件结构进行了系统优化，中国科学院半导体所团队则重点负责高质量GaN紫外VCSEL外延材料生长，双方实现了器件设计与材料制备的协同创新。

在光学设计方面，研究人员引入HfO?光学调节层，优化腔内光场分布，并将ITO电流扩展层厚度减薄至20 nm，使ITO位于光场节点、有源区位于光场波腹，大幅降低光吸收损耗。实验结果显示，ITO吸收损耗由此前报道的16.4 cm??降低至5.1 cm??，降幅达到69%。

与此同时，研究团队采用B?离子注入替代传统SiO?电流限制层，并结合电镀铜热沉技术，有效提升器件散热能力，使器件热阻降至209 K/W，显著优于已有同类报道。

此外，研究团队还在激光剥离（LLO）后引入化学机械抛光（CMP）工艺，将n-GaN表面均方根粗糙度（RMS）由1.71 nm降低至0.24 nm，使界面散射损耗由3.26%降至0.07%，进一步提升了器件光学性能。

在器件结构、热管理及外延材料综合优化的基础上，研究团队最终成功实现了380.1 nm紫外GaN基VCSEL室温连续电注入激射。

测试结果显示，该器件的阈值电流密度为14.9 kA/cm?，开启电压约4.3 V，反向漏电流保持在10?? A量级，展现出良好的电学性能。激射发生后，380.1 nm峰值迅速增强，谱线半高宽收窄至约28 pm，表明器件已实现稳定连续激光输出。

(a-c) 紫外VCSEL器件截面SEM照片；(d) 不同注入电流下的电致发光光谱，激射波长为380.1 nm

研究团队表示，此项成果首次验证了电注入紫外GaN基VCSEL的技术可行性，将GaN基VCSEL的电驱动工作波长成功拓展至紫外波段，不仅突破了国际长期存在的技术瓶颈，也为紫外VCSEL的小型化、集成化和阵列化发展奠定了重要基础。

展望未来，随着器件性能的进一步提升，紫外GaN基VCSEL有望在生物检测、医疗诊断、杀菌消毒、紫外固化、精密传感以及新一代紫外光通信等领域获得更加广泛的应用，为紫外光电子产业的发展提供新的技术支撑。

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