文/John Wallace

多年來(lái)，激光二極管的短波長(zhǎng)極限，已經(jīng)從可見光譜的紅光端移動(dòng)到了近紫外波段。然而許多應(yīng)用，例如用于化學(xué)和生物化學(xué)傳感、表面分析和醫(yī)學(xué)用途的拉曼光譜，可以受益于深紫外發(fā)射激光二極管的發(fā)展，這類激光二極管可以用電池供電，用于便攜式儀器中。

激光二極管可以倍頻和四倍頻，以產(chǎn)生短于193nm波長(zhǎng)的窄帶輸出深紫外光。雖然這些激光器比其他類型的深紫外光源（如準(zhǔn)分子激光器）更緊湊且用戶友好，但是它們?nèi)匀徊幌癯Ｒ?guī)激光二極管那么小巧、簡(jiǎn)單和低功耗。

最近，加拿大麥吉爾大學(xué)的研究人員制造出了一種氮化鋁鎵（AlGaN）激光二極管，其能夠輸出波長(zhǎng)239nm的深紫外光，在室溫下運(yùn)行，并且為電泵浦。^[1]此外，該原型具有約0.35mA的非常低的閾值電流。

反向錐形納米線

模擬研究表明，隨機(jī)分布的AlGaN納米線可以強(qiáng)烈約束在240nm光譜區(qū)域的深紫外光子。研究人員確定了反向錐形納米線結(jié)構(gòu)，以使通過(guò)下面的硅（Si）襯底的損耗最小。

在制造工藝中，納米線自發(fā)地形成在Si襯底上，并且每個(gè)具有由n-GaN接觸層、n-AlGaN覆層、AlGaN有源區(qū)、p-AlGaN覆層和p-GaN接觸層組成的結(jié)構(gòu)（如圖1所示）。研究人員介紹說(shuō)，由納米線的隨機(jī)排列引起的光子重復(fù)散射導(dǎo)致干涉，并因此導(dǎo)致強(qiáng)的光局域化。

AlGaN納米線的平均填充因子為0.55。由于納米線的不均勻性和制造的不完善，實(shí)際電流注入和激光運(yùn)行僅在其中約50%中發(fā)生。單根納米線的計(jì)算腔體積和載流子復(fù)合體積分別為0.627μm³和0.165μm³。

首先，使用193nm波長(zhǎng)的激發(fā)源進(jìn)行室溫光致發(fā)光（PL）研究。所得到的PL光譜在246nm處具有20nm帶寬的發(fā)射峰，表明高達(dá)70%的Al組成和良好的Al均勻性。大約位于210nm處的第二個(gè)峰，表明AlN殼形成在AlGaN納米線側(cè)壁上，這有助于抑制非輻射表面復(fù)合。

接下來(lái)，通過(guò)光刻和金屬化方法來(lái)制造電注入的激光二極管。研究人員測(cè)量了低于和高于激光閾值的室溫電致發(fā)光光譜。在閾值下工作，產(chǎn)生寬發(fā)射光譜。當(dāng)電流達(dá)到0.35mA閾值時(shí)，239nm激光線開始出現(xiàn)。在閾值處，線寬約為0.9nm，但隨著電流逐漸升高到約1.4mA，線寬逐漸升高到約1.4nm。

研究人員先前已經(jīng)展示了在262nm和289nm發(fā)射的電注入AlGaN納米線深紫外激光器。這些激光器具有高得多的組成調(diào)控，形成量子點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生僅僅幾十微安的非常低的閾值電流。^[2,3]但是因?yàn)楦呓M成調(diào)控抑制較短波長(zhǎng)的激光發(fā)射，研究人員不得不提高組成均勻性，以在239nm產(chǎn)生激光發(fā)射。較高的均勻性導(dǎo)致量子點(diǎn)狀性質(zhì)消失，并將閾值電流提高到0.35mA。但是239nm的閾值電流仍然相當(dāng)?shù)停�這將有助于實(shí)現(xiàn)基于激光的、電池供電的深紫外儀器。

參考文獻(xiàn)

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).