GaN纳米花型微腔激光器中多分支结构对回音壁模式激光的增强效应

研究人员针对GaN基微腔激光器光输出效率低的问题，创新性设计多花瓣纳米花结构，通过单次刻蚀工艺实现WGM（回音壁模式）三维调控。实验表明该结构阈值电流低至50 μA，光强提升8倍，3D Rayleigh-Fabry-Pérot模型完美解释其多模发射特性，为光子学集成器件提供新思路。

　　

在光电子器件领域，氮化镓(GaN)基材料因其宽禁带特性已成为激光二极管和LED的核心材料。然而传统微盘激光器面临两大瓶颈：一是光场局限于二维平面导致输出功率不足，二是高阈值电流制约能效提升。过去二十年，尽管通过异质外延生长多量子阱(MQW)和硅基集成工艺取得进展，但 whispering-gallery-mode (WGM，回音壁模式) 器件的三维光场调控仍是难题。韩国国立研究团队另辟蹊径，受自然界花瓣结构启发，开发出具有革命性意义的纳米花型微腔激光器。

该研究通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)在硅衬底上生长GaN异质结构，结合聚焦离子束刻蚀(FIB)构建多分支花瓣。关键创新在于仅增加单次刻蚀步骤，便实现三维WGM共振腔的精准调控。研究采用透射电镜(TEM)验证MQW层厚度（In_xGa_1-xN 3 nm/GaN 6.5 nm周期），通过银/钛镍/金多层金属堆栈（180 nm Ag/450 nm TiNi/150 nm Au）增强垂直光反射。

Device fabrication
团队在4 μm n-GaN层上制备5周期MQW有源区，通过自对准蚀刻形成花瓣结构。TEM证实金属层与p-GaN界面质量，为三维共振奠定基础。

Results and discussion
实验数据显示：六花瓣器件阈值电流仅50 μA，较传统圆盘降低80%；边缘光强达中心区12倍，证实三维WGM效应。光谱分析揭示离散发射峰间距符合3D Rayleigh-Fabry-Pérot模型，花瓣数量与品质因数呈正相关。

Conclusions
这项发表于《Optics》的研究突破性地证明：花瓣结构通过延长光程增强WGM，其三维共振模式可精准调控。第一作者Taehee Kim指出，该设计为光子集成电路(PIC)提供高密度集成方案，Meyyappan教授强调其低温工艺兼容CMOS技术的独特优势。研究获韩国MSIT和IITP基金支持，标志着GaN光子器件从二维约束向三维调控的重要跨越。