AlN同质衬底上生长的深紫外激光器
【德州大学阿灵顿分校领衔的联合研究团队】

 

工作波长为100~280 nm(C区紫外线,“UV-C”)的便捷式超短波长光源发射器在诸多领域具有广泛的应用,比如空气和水的消毒净化,杀菌设备和生物医学仪器,眼科手术工具,非视距紫外线通讯和高密度光学存储等。目前,用作UV-C光源的是汞灯、氘灯、准分子灯和氙气灯,它们体积庞大,还存在一定的缺陷,如输出功率有限、寿命短、不稳定,难以满足微型化的发展需求且具有化学危险性。

现阶段,关于半导体光源的研究已深入到紫外波段。研究人员通过添加铝来增加带隙,使用于蓝色和紫色激光的宽带隙III-V氮化镓化合物能够发射更短波长的光。理论上,如果有源层是氮化铝,则该族材料可以发射短至205 nm波长的光。然而,尽管目前已有商用的高性能可见光和较长波长的紫外激光器,但由于材料的限制,实现短于280 nm(UV-C)波长的高性能紫外激光器仍然是一项技术难题。

AlN同质衬底上的AlGaN有望提供高性能深紫外光源

来自美国德州大学阿灵顿分校的Kalapala等人在AlN同质衬底上生长了21个多量子阱结构,获得了室温下的光泵浦低阈值激光器。多量子阱的生长是在高温反应器中通过低压有机金属气相外延(LP-OMVPE)工艺实现的。制备过程中会产生高质量的赝晶体,从而产生用于低阈值激光器的高质量AlGaN基异质结构。为了提高光场限制因子,该团队引入了大数目量子阱概念。通过提高光场限制因子可以放宽有源区的增益阈值条件,从而降低每个量子阱的阈值电流。尽管需要进一步的研究来降低腔体损耗增加光功率,但目前的工作已表明,在AlN同质衬底上生长AlGaN 多量子阱结构在获得实用UV-C激光器方面具有广阔的前景。

研究团队简介

该工作由联合研究团队完成。德州大学阿灵顿分校的周卫东教授研究团队致力于研究各类型半导体激光器,包括基于化合物半导体材料和硅光子晶体腔异构集成的硅基光子晶体光源。威斯康星大学麦迪逊分校的马振强(Jack Ma)教授团队致力于研究基于半导体纳米膜的电子和光电器件以及刚性和柔性衬底的异构集成技术。密歇根州立大学的John D. Albrecht教授团队主要研究电子和光子材料和器件,包括利用理论模拟和实验研究电荷和界面特性。该研究中AlN衬底和AlGaN多量子阱异质结构的生长由HexaTech公司的Baxter Moody博士协助完成。

相关论文

Kalapala A R K, Liu D, Cho S J, Park J P, Zhao D Y et al. Optically pumped room temperature low threshold deep UV lasers grown on native AlN substrates. Opto-Electron Adv 3, 190025 (2020). 

DOI:10.29026/oea.2020.190025