北京
图1. GaN基PCSEL的器件结构与光子晶体形貌
光子晶体面发射激光器(PCSEL)利用二维光子晶体调控面内光场，可在大面积区域中形成相干振荡，兼具单模、大功率、高亮度、小发散角的优良特性，成为国内外研究热点之一。氮化镓(GaN)基半导体材料为直接带隙，发光波长覆盖了可见光到深紫外等波段，具有发光效率高、化学稳定性好等优点，可用于制造PCSEL。GaN基PCSEL在新型显示、增材制造、水下通信、星间通信、芯片原子钟、深空探测、激光医疗等领域具有广阔的应用前景，得到了广泛关注。
与红外波段的GaAs/InP基材料相比，GaN基材料发光波长短、折射率小，导致GaN基PCSEL光反馈弱、光损耗高、微纳加工难度大，此前公开报道的最大输出光功率为1 W，由PCSEL国际领跑者日本京都大学Noda教授团队实现。为提升GaN基PCSEL的性能，依托中国科学院苏州纳米所建设的半导体显示材料与芯片重点实验室联合苏州实验室，在前期我国首支室温电注入激射的GaN基PCSEL(Journal of Semiconductors 2025, 46, 090501)研究基础上，近日将GaN基PCSEL的输出光功率提升到3.2 W。
研究团队围绕GaN基PCSEL的外延结构、光子晶体参数和谐振腔尺寸等开展了系统的优化设计，大幅降低了光损耗和阈值电流;随后，在苏州纳维公司的GaN单晶衬底生长了高质量的PCSEL材料;进一步，开发了低损伤的光子晶体刻蚀与钝化工艺，制备了侧壁平滑的光子晶体孔(图1)，并利用氧化铟锡(ITO)增强电流扩展，进而制备了GaN基PCSEL器件。
研究团队对GaN基PCSEL器件进行了室温电注入测试，器件谐振腔尺寸为500 μm，电注入脉冲宽度为100 ns，重复频率为10 kHz。测试结果显示，激射波长为430.5 nm，阈值电流约10 A，对应的阈值电流密度为4 kA/cm2，峰值输出光功率达到3.2 W(图2)。
图2. 不同注入电流下，GaN基PCSEL的(a)电致发光光谱和(b)输出光功率
角分辨光谱测试进一步揭示了器件的模式演化过程(图3)。低电流下可分辨A、B、C、D四个基模;达到阈值电流后，A、C、D三个模式基本饱和，而B模式通过受激辐射迅速增强并放大，阈值附近B模式的半高宽约为75 pm。PCSEL器件在10～22 A电流范围内保持单模工作，电流超过22 A后C模式重新出现并进入多模激射状态。
图3. GaN基PCSEL沿Γ—X方向的能带结构及其随注入电流的演化
该成果推动我国GaN基PCSEL由首次电注入激射迈向瓦级光输出，为高功率可见光PCSEL的发展奠定了基础。相关成果以 3.2 W GaN-based photonic-crystal surface-emitting laser 为题发表在国际知名学术期刊Laser & Photonics Reviews 。苏州纳米所联合培养博士研究生徐彤为论文第一作者，苏州纳米所冯美鑫研究员、孙钱研究员和苏州实验室熊康林研究员为论文的通讯作者。该工作得到了中国科学院战略性B类先导科技专项、国家重点研发计划项目、苏州实验室项目、国家自然科学基金等多个项目的资助。
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