國際首次！廈門大學聯合中科院實現紫外GaN基VCSEL室溫連續激射

近日，廈門大學電子科學與技術學院梅洋助理教授、張保平教授團隊聯合中國科學院半導體研究所趙德剛研究員、楊靜研究員團隊，在紫外波段氮化鎵（GaN）基垂直腔面發射激光器（VCSEL）研究方面取得重要突破。

相關成果以《GaN-based ultraviolet vertical-cavity surface-emitting lasers operating under room-temperature continuous-wave current injection》為題發表于國際應用物理領域期刊《Applied Physics Letters》。

該研究首次實現了室溫連續電流注入條件下紫外GaN基VCSEL連續激射（Continuous-Wave，CW），成功將電驅動GaN基VCSEL的工作波長拓展至380.1 nm，填補了國際上400 nm以下紫外波段電注入GaN基VCSEL連續激射的空白，為紫外半導體激光器的發展邁出了關鍵一步。

圖 (a-c) 紫外VCSEL器件截面SEM照片；(d) 不同注入電流下的電致發光光譜，激射波長為380.1 nm

突破400 nm限制，攻克紫外VCSEL核心瓶頸

GaN基VCSEL因具有低閾值、圓形光斑、易于二維陣列集成等優勢，在照明顯示、光通信、海洋探測、生物醫療、紫外固化及殺菌消毒等領域具有廣闊應用前景。目前，藍光至綠光GaN基VCSEL技術已取得較快發展，但波長進入400 nm以下紫外區域后，器件長期面臨光學損耗大、散熱困難等技術瓶頸。

研究團隊指出，傳統器件主要存在兩方面限制：

一方面，廣泛采用的ITO透明導電層在紫外波段具有較高吸收損耗，嚴重降低腔內光子效率；另一方面，傳統SiO?電流限制層導熱能力較弱，器件工作過程中產生的熱量難以及時散發，導致連續電注入激射難以實現。因此，此前國際公開報道的電注入GaN基VCSEL工作波長均高于400 nm。

光學設計與熱管理協同優化，實現連續激射

針對上述難題，廈門大學團隊圍繞器件結構進行了系統優化，中國科學院半導體所團隊則重點負責高質量GaN紫外VCSEL外延材料生長，雙方實現了器件設計與材料制備的協同創新。

在光學設計方面，研究人員引入HfO?光學調節層，優化腔內光場分布，并將ITO電流擴展層厚度減薄至20 nm，使ITO位于光場節點、有源區位于光場波腹，大幅降低光吸收損耗。實驗結果顯示，ITO吸收損耗由此前報道的16.4 cm?1降低至5.1 cm?1，降幅達到69%。

與此同時，團隊采用B?離子注入替代傳統SiO?電流限制層，并結合電鍍銅熱沉技術，有效提升器件散熱能力，使器件熱阻降至209 K/W，顯著優于已有同類報道。

此外，研究團隊還在激光剝離（LLO）后引入化學機械拋光（CMP）工藝，將n-GaN表面均方根粗糙度（RMS）由1.71 nm降低至0.24 nm，使界面散射損耗由3.26%降至0.07%，進一步提升了器件光學性能。

實現380.1 nm室溫連續電注入激射

在器件結構、熱管理及外延材料綜合優化的基礎上，研究團隊最終成功實現了380.1 nm紫外GaN基VCSEL室溫連續電注入激射。

測試結果顯示，該器件的閾值電流密度為14.9 kA/cm2，開啟電壓約4.3 V，反向漏電流保持在10?? A量級，展現出良好的電學性能。激射發生后，380.1 nm峰值迅速增強，譜線半高寬收窄至約28 pm，表明器件已實現穩定連續激光輸出。

為紫外半導體激光器產業化提供新路徑

研究團隊表示，此項成果首次驗證了電注入紫外GaN基VCSEL的技術可行性，將GaN基VCSEL的電驅動工作波長成功拓展至紫外波段，不僅突破了國際長期存在的技術瓶頸，也為紫外VCSEL的小型化、集成化和陣列化發展奠定了重要基礎。

未來，隨著器件性能的進一步提升，紫外GaN基VCSEL有望在生物檢測、醫療診斷、殺菌消毒、紫外固化、精密傳感以及新一代紫外光通信等領域獲得更加廣泛的應用，為紫外光電子產業的發展提供新的技術支撐。