图1. FP腔边发射激光器、DFB边发射激光器、VCSEL和PCSEL的结构示意图、典型远场发散角及输出光谱特性。
常规的『半导体』激光器，如Fabry–Pérot(FP)腔激光器、分布式反馈(DFB)激光器以及垂直腔面发射激光器(VCSEL)等，无法兼具单模、大功率、小发散角等优良特性;而光子晶体面发射激光器(PCSEL)利用二维光子晶体的布拉格衍射，可实现大功率、小发散角的单模激光输出(图1)，成为国内外研究热点之一。氮化镓(GaN)基『半导体』材料为直接带隙，发光波长覆盖了可见光到深紫外等波段，具有发光效率高、化学稳定性好等优点，可用于制造PCSEL。GaN基PCSEL在新型显示、材料加工、激光照明、水下通信、星间通信、『芯片』原子钟、深空探测、原子雷达、激光医疗等领域具有广阔的应用前景，得到了广泛关注。
日本京都大学Noda教授团队于1999年首次提出了PCSEL的概念，并于2008年在Science 319,445 (2008)首次报道了GaN基紫光PCSEL的室温电注入激射，随后分别于2022年与日本Stanley公司合作、2024年与日本Nichia公司合作，将GaN基PCSEL的激射波长进一步拓展到蓝光和绿光波段。目前，全球范围内仅有日本实现了GaN基PCSEL的电注入激射。
依托中国科学院苏州纳米所建设的『半导体』显示材料与『芯片』重点实验室与苏州实验室合作，近日研制出GaN基光子晶体面发射激光器，并实现了室温电注入激射。
研究团队首先仿真设计了GaN基PCSEL器件结构，随后外延生长了高质量的GaN基激光器材料，并开发了低损伤的光子晶体刻蚀与钝化工艺，制备了GaN基PCSEL器件，光子晶体区域尺寸为400×400 μ㎡(图2)。通过角分辨光谱测量GaN基PCSEL在 Γ-X 方向上的能带结构(图3)，可以观察到：注入电流较低时，能带结构清晰，辐射☢️模式C的强度最大;随着电流增大，非辐射☢️模式B的强度显著增强，直至激射。通过测量能带，可以确定器件是基模B的激射，阈值电流附近的模式半高宽约为0.05 nm。
图2. (a) GaN基PCSEL的结构示意图，(b)光泵测试得到的光子晶体能带结构，光子晶体的(c)表面和(d)截面扫描电子显微镜🔬图。
图3. (a-e)不同注入电流下测量得到的GaN基PCSEL Γ-X方向的能带结构，(f) GaN基PCSEL峰值波长与光谱半高宽随注入电流的变化曲线。
基于上述工作，研究团队实现了GaN基光子晶体面发射激光器的室温电注入激射(图4)，激射波长约为415 nm，阈值电流为21.96 A，对应阈值电流密度约为13.7 kA/c㎡，峰值输出功率约为170 mW。下一步拟采用高质量的GaN单晶衬底，设计新型的GaN基PCSEL结构，并突破PCSEL器件制备与封装散热技术，实现高功率(10~100 W)单模激光输出。
图4. GaN基PCSEL (a)不同注入电流下的电致发光光谱、(b)输出光功率-电流-电压曲线、(c)远场光斑，GaN基PCSEL激射(d)前、(e)后的近场图像。
该研究成果由杨辉研究员、孙钱研究员和冯美鑫研究员共同指导重点实验室的工作人员和学生完成，相关论文正在撰写中。相关工作得到了国家重点研发计划项目、苏州实验室项目等资助。
