梅洋同学翁国恩同学的文章被Light:Sci&Appl录用

  近日,本课题组在绿光氮化镓(GaN)基半导体面发射激光器(VCSEL)研究上取得突破性进展,填补了国际空白。相关成果以“Quantum dot vertical-cavity surface-emitting lasers covering the “green gap””为题于2016年8月19日在《Light: Science & Applications》上Accepted Article Preview栏目发表(doi: 10.1038/lsa.2016.199)。该期刊影响因子为13.6,是Nature出版社与中国科学院合办,光学领域排名第二的期刊。该论文共同第一作者为硕士2年生梅洋和博士3年生翁国恩(现华东师范大学),合作者有中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所刘建平研究员课题组,柏林工业大学Werner Hofmann 教授(兼任厦门大学讲座教授)和台湾交通大学郭浩中教授(兼任厦门大学讲座教授)。


  半导体VCSEL与固态或者气体激光器相比有着体积小、功耗低、成本低等优点,而且通过选用不同的半导体材料,其发光波长可以覆盖从紫外到红外波段,因而在生产生活中有着非常广泛的应用。如今,一些波段的VCSEL已经得到了充分研究并且成功实现商业化,例如用于光纤通信的1.3-1.5um波段、用于泵浦源以及光互联的850-1000nm波段等。但是在绿光,特别是500-600nm波段,VCSEL的研究面临着较大的困难,进展一直比较缓慢,学术界称其为 “green gap”。


  “green gap”的出现与材料结构有直接关系。到目前为止,绿光VCSEL的有源发光区通常使用在GaN上外延生长的InGaN 量子阱二维材料,在绿光波段,InGaN量子阱的发光效率会有显著的降低。这是因为波长越长,In的组分越大, 使得InGaN与GaN之间的晶格失配增大、InGaN发光层的缺陷增多、应力增加。应力又会进一步造成量子限制斯塔克效应。这些原因使电子与空穴的辐射复合效率,即发光效率大幅度降低。由于这些原因,迄今为止国际上所报道的绿光VCSEL波长最长只有503nm, 而且是工作在脉冲条件下,并有着较高的阈值电流。


  本课题组采用了新颖的InGaN量子点材料代替量子阱作为VCSEL有源发光区,并且引入了热导率很高的铜基板,成功研制出室温下连续工作的绿光VCSEL。InGaN量子点材料有着量子限制斯塔克效应小、发光效率高、局域效应强等优点。通过优化谐振腔设计、减小腔内损耗、匹配光场与有源区的耦合,获得了目前波长最长的GaN基VCSEL并且具有极低的阈值电流密度。另外,通过调整VCSEL的谐振腔长度,成功实现了对VCSEL波长的调控,得到了492-565nm范围内的绿光激射,这对于宽色域激光全色显示有着重大意义。


  GaN基VCSEL正在受到国际上高度关注,众多著名科学家(如诺贝尔奖获得者Nakamura教授和Akasaki教授),跨国企业(如索尼、松下等)和知名高校(如台湾交通大学、美国加州大学等)也在进行该器件的研究。本课题组长期以来一直进行GaN基VCSEL的研究,解决了激光剥离、减薄抛光以及金属键合等关键技术,是大陆唯一实现光泵以及电泵激射的研究室,并且主要器件性能指标处于国际领先水平。


  该工作受到了国家自然科学基金、广东省重大科技专项以及科学挑战计划等项目的大力支持。