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GaN基紫外垂直腔面发射激光器的量子效率调控和器件研制

批准号:
62074142
项目类别:
面上项目
资助金额:
59.0 万元
负责人:
陈平
学科分类:
半导体器件物理
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
陈平

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
原子钟是导航、定位和授时系统的核心元器件,目前正朝着小型化、集成化的光学原子钟的方向发展。垂直腔面发射激光器是光学原子钟的核心光源和关键部件。GaN基VCSEL激光器的波长范围覆盖了紫外和可见光波段,光子能量与铷原子、钙原子的多个Zeeman能级系统相对应,适合作为激光光源研制芯片尺寸的光学原子钟。本项目针对GaN基紫外垂直腔面发射激光器量子效率调控的三个关键科学问题,即InGaN紫外量子阱局域态密度低导致的有源区内量子效率下降、激光器谐振腔在紫外波段光学吸收损耗增大导致的外量子效率下降、缺乏在紫外波段具有高光学反射率的DBR反射镜,争取突破激光器材料生长和器件工艺的难题,研制出紫外波段的GaN基垂直腔面发射激光器,激射波长380±10nm,连续输出功率≥10μW,作为核心激光光源应用于光学原子钟的研制,并为我国其他领域所需的GaN基激光光源提供关键元器件支撑。
英文摘要
The atomic clock is the core component of the positioning, navigation, timing (PNT) system. It has been developed towards to the optical atomic clock with a miniaturization and integration tendency. The vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) is the light source of optical atomic clock. The wavelength of GaN-based VCSEL covers a wide spectrum, including the visible and ultraviolet wavelength range. The corresponding photon energy matches the s series of the Zeeman energy levels of rubidium and calcium atoms. The GaN-based VCSEL can be applied to the research and development of chip-scale optical atomic clock...This proposal focuses on the material growth and device fabrication of GaN-based ultraviolet (UV) VCSEL device. There are several problems of quantum efficiency which holds back the development of this device. The indium composition of InGaN quantum wells in ultraviolet region is lower, and the density of localized state will be reduced. So the internal quantum efficiency of the multiple-quantum-well (MQW) active region is lower than that of the devices with a longer wavelength. The second question is the short wavelength and the high energy of UV light increases the optical absorption loss inside the resonant cavity as well as the reflectance lass on the facets of the cavity. The last problem is the lack of an effective distributed Bragg reflector (DBR) mirror with high optical reflectance in the ultraviolet wavelength range. ..Our efforts will be put on the possible solutions of the above-mentioned key problems in the epitaxial growth and the device processing. The goal of the project is to obtain an electrically injected GaN-based VCSEL with an ultraviolet lasing wavelength of 380±10nm and an output light power higher than 10μW under continuous operation. Such a GaN-based VCSEL device will work as the laser light source of the optical atomic clock and be applied to other related fields.
GaN基VCSEL激光器的波长范围覆盖了紫外和可见光波段,光子能量与铷原子、钙原子的多个Zeeman能级系统相对应,适合作为激光光源研制芯片尺寸的光学原子钟。本项目针对GaN基紫外垂直腔面发射激光器量子效率调控的三个关键科学问题,即InGaN紫外量子阱局域态密度低导致的有源区内量子效率下降、激光器谐振腔在紫外波段光学吸收损耗增大导致的外量子效率下降、缺乏在紫外波段具有高光学反射率的DBR反射镜,争取突破激光器材料生长和器件工艺的难题,研制出紫外波段的GaN基垂直腔面发射激光器,作为核心激光光源应用于光学原子钟的研制,并为我国其他领域所需的GaN基激光光源提供关键元器件支撑。.通过四年的研究,掌握了蓝宝石衬底生长高质量AlN/AlGaN两步法MOCVD外延关键技术;探究了碳杂质掺杂、In组分分布对于GaN基材料光电特性的影响;研究了量子阱生长过程中铟原子的迁移机制,开发了快速外延、应力调控、高温退火、生长牺牲层等技术手段生长了高质量的InGaN/GaN量子阱结构,同时针对量子阱激光器的复合机理开展了研究;针对GaN基紫外垂直腔面发射激光器的材料组分、电子阻挡层、量子阱结构进行理论研究,通过能带工程升有源区载流子注入以及受激辐射,改善了GaN基紫外垂直腔面发射激光器的输出特性。在实现激射波长371nm的GaN基紫外垂直腔面发射激光器光泵激射的基础上,最终成功研制出输出功率高达3.8W的GaN基紫外大功率激光器和激射波长短至358nm的GaN基紫外短波长激光器。这是目前国际上公开报道的输出功率最大的GaN基紫外激光器。
强辐射场下常温工作的AlN基大灵敏区辐射探测器的应力调控和噪声抑制
  • 批准号:
    U21B2061
  • 项目类别:
    联合基金项目
  • 资助金额:
    260万元
  • 批准年份:
    2021
  • 负责人:
    陈平
  • 依托单位:
低铟组分InGaN量子阱中载流子泄漏的抑制及GaN基近紫外激光器研究
  • 批准号:
    61674139
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    62.0万元
  • 批准年份:
    2016
  • 负责人:
    陈平
  • 依托单位:
负电子亲和势AlN冷阴极材料的平面电子发射特性研究
  • 批准号:
    61376089
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    90.0万元
  • 批准年份:
    2013
  • 负责人:
    陈平
  • 依托单位:
基于硅基纳米线波导微环谐振器的异或/同或光学逻辑运算单元及其阵列
  • 批准号:
    60907001
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    22.0万元
  • 批准年份:
    2009
  • 负责人:
    陈平
  • 依托单位:
国内基金
海外基金