InGaN/GaN环形微激光器在硅衬底上的高温运行与光谱稳定性研究

《IEEE Photonics Technology Letters》：High Temperature Operation and Spectral Stability of InGaN/GaN Ring Microlasers on Silicon

硅基III-N环状微激光器通过优化生长与制造工艺实现6-10μm直径腔体稳定光泵浦激光，研究首次证实其100℃高温下波长偏移＜1nm的优异温度稳定性，室温阈值泵浦功率达220kW/cm2，显著拓展了III-N微激光器的应用场景。

　　

摘要：

研究了在硅基底上制备的III-N环形微激光器，其活性层采用InGaN/GaN材料，发射波长接近420纳米。通过优化生长条件和制造工艺，实现了在直径为6微米的腔体中稳定发光。化学敏感的透射电子显微镜图像显示，InGaN层以孤立岛屿的形式存在。在这些InGaN岛屿之间，可以观察到大面积的GaN区域，这些GaN区域形成了阻碍自由载流子横向传输的屏障，从而防止了非辐射表面复合现象。首次对InGaN/GaN微环激光器的温度稳定性进行了研究，并证明了该激光器在高达100摄氏度的温度下仍能正常工作，且波长变化小于1纳米。在室温下，阈值泵浦功率低至220千瓦/平方厘米。这些研究结果显著扩展了III-N微激光器的应用潜力。

引言

采用III-N材料制备的微盘/微环激光二极管因其体积小、输出功率高、抗辐射能力强以及温度稳定性好，被认为是集成光子学和微型传感器领域中极具前景的激光源[1][2]。对于具有圆盘对称性的微激光器而言，其极限尺寸受光的全内反射限制，且与发射波长成正比。过去十年中，已经开发出了在紫外和可见光谱范围内工作的III-N发光二极管和法布里-珀罗激光器，但微激光器的实现难度要大得多：它对室温下的发光效率、活性区的增益、材料对非辐射表面复合的抵抗力以及激光谐振器形状和尺寸的精度要求更高。通常，III-N微激光器的腔体呈蘑菇状，其边缘是悬空的。因此， Whispering Gallery Mode（WGM）能够克服III-N材料折射率对比度低的问题，并在垂直方向上得到良好的限制，这得益于半导体与空气之间的较大折射率差异[3]。近年来，在硅和蓝宝石基底上制备了基于III-N半导体的、能够发出紫外到绿色光的光泵浦蘑菇状微盘激光器[4][5]。然而，基于GaN的蘑菇状微激光器在散热和高效电注入方面面临挑战[6][7][8]。