基于纳米多孔GaN和ITO光场限制层的硅基GaN微盘激光器研究
批准号:
62074158
项目类别:
面上项目
资助金额:
59.0 万元
负责人:
冯美鑫
依托单位:
学科分类:
半导体光电子器件与集成
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
冯美鑫
中文摘要
硅基GaN微盘激光器模式体积小、功耗低,在单光子发射、化学生物探测等领域具有重要的应用前景。常规GaN微盘激光器采用空气为光场限制层的“蘑菇状”结构,电阻较大、热阻较高,仅实现了光泵浦激射。本项目提出了“三明治状”新结构,可大幅降低电阻与工作电压、热阻与工作结温,显著提升器件性能。初步采用基于AlGaN光场限制层的“三明治状”结构,在国际上首次实现了硅基GaN微盘激光器的室温电注入激射。然而,由于纵向光场限制较弱,器件阈值电流较大、工作结温偏高,只能脉冲工作。本项目拟采用低折射率的纳米多孔GaN和ITO等新型光场限制层代替AlGaN,仿真结果表明光场限制因子可增加60%,串联电阻下降50%,而热阻和内损耗基本不变。将重点围绕硅基GaN微盘激光器的光场调控、光损耗抑制和热传导等关键科学问题,从结构设计、材料生长和器件制备等方面开展研究工作,目标研制出室温连续电注入工作的硅基GaN微盘激光器。
英文摘要
GaN-based microdisk lasers grown on Si featured with small mode volume and low power consumption, have an important application prospect in single photon emission, chemical and biological detection. Conventional GaN-on-Si microdisk lasers utilize a "mushroom-like" structure with air as the cladding layers, causing relatively large series resistance and thermal resistance, and only optically pumped lasing is achieved at present. In this proposal, we proposed a "sandwich-like" structure, which could greatly reduce the series resistance and thermal resistance, resulting in low operation voltage and junction temperature, and hence largely improve the device performance. By using this structure, we reported the first room-temperature electrically injected GaN-on-Si microdisk laser with AlGaN cladding layers in the previous work. However, the longitudinal optical confinement is relatively weak, causing relatively large threshold current and hence high junction temperature, the fabricated microdisk laser could only operate in pulsed mode. This proposal proposed a microdisk laser structure by using nanoporous GaN and indium tin oxide with a small refractive index as the cladding layers instead of AlGaN. Simulation results show that the optical confinement factor can be increased by 60%, the series resistance can be reduced by 50%, the thermal resistance and the absorption loss are constant. This proposal will mainly focus on the optical field regulation, optical loss suppression and thermal conduction of GaN-on-Si microdisk lasers, and study on the structure design, material growth and device fabrication. Finally, the realization of room-temperature continuous-wave operation of GaN-on-Si microdisk lasers is expected.
硅基GaN微盘激光器模式体积小、功耗低,在单光子发射、化学生物探测等领域具有重要的应用前景。常规GaN微盘激光器采用空气为光场限制层的“蘑菇状”结构,电阻较大、热阻较高,仅实现了光泵浦激射。本项目提出了“三明治状”新结构,可大幅降低电阻与工作电压、热阻与工作结温,显著提升器件性能。初步采用基于AlGaN光场限制层的“三明治状”结构,在国际上首次实现了硅基GaN微盘激光器的室温电注入激射。然而,由于纵向光场限制较弱,器件阈值电流较大、工作结温偏高,只能脉冲工作。本项目采用了低折射率的纳米多孔GaN和ITO等新型光场限制层代替AlGaN,重点围绕硅基GaN微盘激光器的光场调控、光损耗抑制和热传导等关键科学问题,从结构设计、材料生长和器件制备等方面开展研究工作,(1)设计了新型激光器结构,将光学限制因子提升了18%,光吸收损耗降低了13%,阈值增益降低了14%;(2)开发了硅基GaN微盘激光器材料外延生长和器件制备技术,将激光器缺陷态密度降低了70%;(3)研究了硅基GaN微盘激光器中的热传导规律,设计了微盘/微环激光器器件结构,显著降低了激光器的工作结温。基于上述研究工作,项目团队研制出国际首支室温连续电注入激射的硅基GaN微盘激光器,阈值电流18 mA。进一步还实现了硅基GaN微盘激光器的定向发射和片上初步集成及激射波长拓展。.此外,项目团队还基于电化学腐蚀制备纳米多孔GaN的方法进行了拓展研究,实现了基于纳米多孔GaN DBR的GaN基VCSEL的室温光泵浦激射、以及2英寸硅衬底GaN薄膜的剥离,相关工作对降低GaN基激光器的成本及推动GaN基激光器的产业化具有重要的意义,目前已得到头部企业的横向项目资助。在本项目资助下,共发表高质量学术论文16篇;共申请发明专利8项;共培养研究生8名;共参加国内外学术会议并作硅衬底GaN基激光器相关的报告6次。在本项目资助下,本人晋升正高级研究员、纳米器件研究部副主任,并入选了国家科技创新领军青年拔尖人才、江苏省“333高层次人才培养工程”、苏州市劳动模范等。
基于选区外延的低光损耗AlGaN基近紫外垂直腔面发射激光器研究
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批准号:62374172
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项目类别:面上项目
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资助金额:48万元
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批准年份:2023
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负责人:冯美鑫
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依托单位:
Si衬底GaN基激光器的应力与缺陷调控研究
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批准号:61604168
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:23.0万元
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批准年份:2016
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负责人:冯美鑫
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依托单位:
国内基金
海外基金