近日，我系博士后郑重明等在深紫外波段（UVC）垂直腔面发射激光器（VCSEL）方面取得新进展，相关成果以“High-quality AlGaN epitaxial structures and realization of UVC vertical-cavity surface-emitting lasers”为题发表于期刊Science China Materials （IF:8.65）。

图1 所用外延片结构及光泵UVC VCSEL工艺流程

VCSEL由于具有在片测试、单模输出、价格低、可以二维排列、圆形光束、小发散角、易于准直和波长漂移小等优点, 自1977年提出以来，一直受到科研和产业的极大关注。基于GaAs的VCSEL已经成功应用于3D成像、激光雷达、光通讯等领域。与GaAs相比，III族氮化物具有直接带隙、耐高温、抗辐射、高击穿电压和高热导率等优点，其禁带宽度从InN的0.76 eV连续变化到AlN的6.14 eV，非常适合用于紫外~可见发光器件，包括VCSEL。

图2 UVC VCSEL 激射光谱以及激射阈值

AlGaN基VCSEL由于其优越的材料性质和器件优点，已经吸引了很多关注。然而，由于材料外延生长和器件制备工艺的困难，AlGaN基VCSEL制备很困难。该工作通过侧向外延生长技术制备了高质量的AlGaN多量子阱（MQWs）结构的外延片，并通过X射线衍射（XRD）和光致发光（PL）等实验对外延片进行了分析。XRD测量显示，外延片中的AlN模板层几乎是弛豫的，刃位错密度为10⁹ cm^-2。随后生长的AlGaN/AlN超晶格（SL）层被用来减少刃位错密度，使得量子阱中的位错密度为10⁸ cm^-2。根据PL测试结果，MQWs的内量子效率（IQE）为62%，且在室温下发光以辐射复合为主。通过激光剥离（LLO）和化学机械抛光（CMP）技术，将这些外延片制备成UVC VCSEL。经过这些工艺，MQWs的晶体质量没有受到影响，甚至观察到了UVC波段的受激辐射。这些AlGaN基UVC VCSEL在275.91、276.28和277.64 nm实现了激射，最小的激射阈值为0.79 MW/cm²。

图3 已经报道的氮化物VCSEL的激射阈值与波长的关系

上述工作由我院张保平教授领导的课题组与上海中微半导体郭世平博士合作完成，第一作者为郑重明博士后，通讯作者为郭世平博士和张保平教授。课题组长期进行GaN基发光器件如VCSEL、谐振腔LED（RCLED）、micro-LED研究，是大陆唯一成功实现电注入蓝紫光、蓝光、绿光VCSEL的科研团队，并于2016年实现了国际上首个黄绿光波段VCSEL。此次成果是国际上首个在UVC波段激射的VCSEL。

该项工作得到了国家重点研发计划以及国家自然科学基金的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1007/s40843-022-2310-5