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AlGaN纳线激光二极管发射239nm深紫外光
材料来源:lfwc           录入时间:2017/5/11 10:36:39

 

/John Wallace

 

多年来,激光二极管的短波长极限,已经从可见光谱的红光端移动到了近紫外波段。然而许多应用,例如用于化学和生物化学传感、表面分析和医学用途的拉曼光谱,可以受益于深紫外发射激光二极管的发展,这类激光二极管可以用电池供电,用于便携式仪器中。

 

激光二极管可以倍频和四倍频,以产生短于193nm波长的窄带输出深紫外光。虽然这些激光器比其他类型的深紫外光源(如准分子激光器)更紧凑且用户友好,但是它们仍然不像常规激光二极管那么小巧、简单和低功耗。

 

最近,加拿大麦吉尔大学的研究人员制造出了一种氮化铝镓(AlGaN)激光二极管,其能够输出波长239nm的深紫外光,在室温下运行,并且为电泵浦。[1]此外,该原型具有约0.35mA的非常低的阈值电流。

 

反向锥形纳米线

 

模拟研究表明,随机分布的AlGaN纳米线可以强烈约束在240nm光谱区域的深紫外光子。研究人员确定了反向锥形纳米线结构,以使通过下面的硅(Si)衬底的损耗最小。

 

在制造工艺中,纳米线自发地形成在Si衬底上,并且每个具有由n-GaN接触层、n-AlGaN覆层、AlGaN有源区、p-AlGaN覆层和p-GaN接触层组成的结构(如图1所示)。研究人员介绍说,由纳米线的随机排列引起的光子重复散射导致干涉,并因此导致强的光局域化。

 

1:电注入AlGaN激光器由反向锥形纳米线的随机排列组成,如图中所示。

 

AlGaN纳米线的平均填充因子为0.55。由于纳米线的不均匀性和制造的不完善,实际电流注入和激光运行仅在其中约50%中发生。单根纳米线的计算腔体积和载流子复合体积分别为0.627μm30.165μm3

 

首先,使用193nm波长的激发源进行室温光致发光(PL)研究。所得到的PL光谱在246nm处具有20nm带宽的发射峰,表明高达70%Al组成和良好的Al均匀性。大约位于210nm处的第二个峰,表明AlN壳形成在AlGaN纳米线侧壁上,这有助于抑制非辐射表面复合。

 

接下来,通过光刻和金属化方法来制造电注入的激光二极管。研究人员测量了低于和高于激光阈值的室温电致发光光谱。在阈值下工作,产生宽发射光谱。当电流达到0.35mA阈值时,239nm激光线开始出现。在阈值处,线宽约为0.9nm,但随着电流逐渐升高到约1.4mA,线宽逐渐升高到约1.4nm

 

研究人员先前已经展示了在262nm289nm发射的电注入AlGaN纳米线深紫外激光器。这些激光器具有高得多的组成调控,形成量子点状结构,产生仅仅几十微安的非常低的阈值电流。[2,3]但是因为高组成调控抑制较短波长的激光发射,研究人员不得不提高组成均匀性,以在239nm产生激光发射。较高的均匀性导致量子点状性质消失,并将阈值电流提高到0.35mA。但是239nm的阈值电流仍然相当低,这将有助于实现基于激光的、电池供电的深紫外仪器

 

参考文献

1. S. Zhao et al., Appl. Phys. Lett., 109, 191106 (2016).

2. S. Zhao et al., Nano Lett., 15, 7801 (2015).

3. S. Zhao et al., Appl. Phys. Lett., 107, 043101 (2015).

 


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