《Optics & Laser Technology》：Mid-infrared emitter via heterogeneous integration of black phosphorus on GaN micro-LEDs
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摘要像素化和CMOS兼容的中红外（MIR）光源的开发对于高密度发射器阵列和片上MIR成像具有重要意义。然而，基于二维材料的新兴MIR发射器受限于困难的电接触和随机发射足迹。在此，我们通过将黑磷（BP）薄片异质集成到氮化镓（GaN）基微发光二极管（Micro-LED）上，展示了
摘要
像素化和CMOS兼容的中红外（MIR）光源的开发对于高密度发射器阵列和片上MIR成像具有重要意义。然而，基于二维材料的新兴MIR发射器受限于困难的电接触和随机发射足迹。在此，我们通过将黑磷（BP）薄片异质集成到氮化镓（GaN）基微发光二极管（Micro-LED）上，展示了一种混合MIR发射架构。通过利用Micro-LED作为光泵浦平台，该器件实现了室温下约3.62 μm的强线性二色性MIR发射。从300 K到80 K的温度依赖性电致发光表征揭示了Micro-LED注入电流与BP层量子效率之间的协同竞争机制。该器件在300 K时的峰值外部量子效率约为0.028%。预图案化的Micro-LED台面定义了每个BP/Micro-LED发射器单元的标称横向泵浦区域，为未来与硅光子学兼容的像素化MIR阵列提供了一条潜在途径。
引言
中红外（MIR）光谱范围涵盖了"分子指纹"区域，在众多应用中具有重要意义，包括气体传感[1]、[2]、医学诊断[3]、[4]和加密通信[5]、[6]。尽管在发光二极管（LED）、量子级联激光器和热发射器方面取得了重大进展，但实现像素化和CMOS兼容的MIR Micro-LED光源仍然是一项挑战。尤其是，像素化MIR微发光二极管在均匀性和可扩展性方面具有巨大优势，可应用于更复杂和先进的场景，如图案化MIR信号通信和空间分辨化学成像。利用可见光Micro-LED的成熟技术[7]、[8]以及二维（2D）材料的便捷集成能力[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]，我们提出了一种实现像素化MIR Micro-LED的策略。选择GaN基Micro-LED作为光泵浦平台，原因包括其高亮度、高速率和良好的可扩展性[15]、[16]、[17]、[18]。黑磷（BP）作为MIR活性材料，得益于其直接带隙[19]、[20]、出色的线性二色性[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]以及低的奥古尔非辐射复合系数[23]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]。该混合结构避免了对BP的直接电接触[32]，并且不需要载流子跨越BP异质结进行注入。它还简化了器件结构，并能够在成熟的Micro-LED平台上实现室温MIR发射。此外，Micro-LED泵浦BP系统最突出的优势在于其可扩展性和片上光子集成的潜力。激发像素的微米级足迹使得高密度像素化MIR发射器阵列的制备成为可能。而且，硅上GaN平台与标准互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺相兼容，便于将这些发射器直接耦合到片上波导和光子集成电路中[33]、[34]、[35]、[36]。在本工作中，我们通过将BP薄片集成到 μm2绿色GaN基Micro-LED上，展示了器件原型。我们系统地分析了偏振分辨发射，研究了温度和功率依赖的MIR发射特性，并讨论了Micro-LED泵浦BP MIR器件的优点和不足。
章节摘要
结果与讨论
首先通过商用金属有机化学气相沉积（MOCVD）在4英寸硅（111）衬底上外延生长了高质量的GaN基绿色Micro-LED外延层。如图1a所示，外延结构包括1.5 μm的AlN/AlGaN缓冲层、2 μm的n-GaN层，以及8周期的InGaN/GaN（2.5 nm/12 nm）多量子阱（MQWs），其中铟（In）含量为25%。p型AlGaN/GaN超晶格作为电子阻挡层，随后是p-GaN和p+
结论
总之，我们通过将BP异质集成到基于硅的GaN Micro-LED平台上，展示了一种MIR发射范式。该集成器件实现了室温下约3.6 μm的MIR发射，具有完美的线性二色性。温度依赖性电致发光研究揭示了载流子注入与BP内部量子效率之间的协同竞争。该Micro-LED泵浦架构的主要贡献是通过台面定义的标称区域实现对BP的无接触光学激发
器件制备
GaN基绿色Micro-LED外延层使用商用金属有机化学气相沉积（MOCVD）系统生长在4英寸硅（1 1 1）衬底上。生长序列以1.5 μm厚的AlN/AlGaN缓冲层开始，随后是2 μm厚的n-GaN模板层。为了有效弛豫压缩应变，在有源区之前使用了30周期的InGaN/GaN超晶格。有源区由8周期InGaN/GaN（2.5 nm/12 nm）多量子阱（MQWs）组成，其中
CRediT作者贡献声明
朱祥希：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，方法论，调查研究，形式化分析，数据整理，概念化。吴海峰：撰写——审阅与编辑，资源，方法论，调查研究。陈定益：撰写——审阅与编辑，资源，方法论，调查研究。陈寿恒：撰写——审阅与编辑，资源，方法论，调查研究。龚博林：撰写——审阅与编辑，可视化，形式化分析，数据整理。刘华伟：
资金支持
本工作得到了国家自然科学基金（62275117、52221001）、深圳市优秀人才计划（RCYX20221008092900001）、深圳市重点产业研究与开发计划（ZDCY20250901095359005）以及岳麓山工业创新中心项目（2025YCII0229）的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。
朱祥希|吴海峰|陈定益|陈寿恒|龚博林|刘华伟|潘联连|李东|陈小龙
