激光被認為是二十世紀人類最偉大的發(fā)明之一，它的出現(xiàn)有力地推動了探測、通信、加工、顯示等領域的進步。半導體激光器是成熟較早、進展較快的一類激光器，具有體積小、效率高、成本低、壽命長等特點，因而應用非常廣泛，早年的基于GaAsInP體系紅外激光器更是奠定了信息革命的基石。氮化鎵激光器（LD）是近些年來先發(fā)展的一種新型光電子器件，基于GaN材料體系的激光器能夠?qū)⒐ぷ鞑ㄩL從原先的紅外拓展到整個可見光譜與紫外光譜范圍，在顯示、照明、金屬加工、國防、量子通信等領域顯示了巨大的應用前景。

激光產(chǎn)生的原理為光增益材料中的光通過在光腔中振蕩放大，形成相位、頻率和傳播方向高度一致的光。對于邊發(fā)射的脊型半導體激光器而言，其光腔在三個空間維度均能對光實現(xiàn)限制，其中沿激光出射方向的限制主要通過解理、鍍膜制成的諧振腔來實現(xiàn)，在水平方向上主要是利用脊型形成的等效折射率差來實現(xiàn)光限制，而在豎直方向的光學限制則是依靠不同材料之間的折射率差來實現(xiàn)。例如，808 nm的紅外激光器的增益區(qū)為GaAs量子阱，光學限制層則是采用了低折射率的AlGaAs，由于GaAs與AlGaAs材料晶格常數(shù)幾乎一致，因此此種結構在實現(xiàn)光學限制的同時不會產(chǎn)生因晶格失配導致的材料質(zhì)量問題。

在氮化鎵基激光器中，通常使用低折射率的AlGaN作為光學限制層，采用高折射率的(In)GaN作為波導層。然而，隨著發(fā)光波長的增加，光學限制層與波導層之間的折射率差不斷減小，使得其對于光場的限制效果不斷減小。特別是綠光激光器中，此類結構已經(jīng)無法限制光場，使得光會泄露到下方的襯底層中，由于空氣/襯底/光學限制層的附加波導結構存在，泄露到襯底中的光能夠形成穩(wěn)定模式（襯底模）。襯底模的存在會導致豎直方向上的光場分布不再是高斯分布，而是會出現(xiàn)“萼瓣”，光束質(zhì)量下降無疑會影響器件的使用。

近期，中科院蘇州納米所的劉建平研究員課題組基于前期光學仿真研究結果（DOI：10.1364/OE.389880），提出通過采用晶格常數(shù)與折射率能夠同時調(diào)整的AlInGaN四元材料作為光學限制層來抑制襯底模的出現(xiàn)，相關成果發(fā)表在國家自然科學基金委員會主管、主辦的Fundamental Research 期刊上。在研究中，實驗人員首先通過優(yōu)化外延生長工藝參數(shù)，在GaN/Sapphire模板上異質(zhì)外延生長了臺階流形貌的高質(zhì)量AlInGaN薄層。隨后在GaN自支撐襯底上進行AlInGaN厚層同質(zhì)外延時發(fā)現(xiàn)表面會出現(xiàn)無序脊型形貌，導致表面粗糙度增加，從而影響后續(xù)激光器其它結構的外延生長。通過對外延生長的應力與形貌關系分析，研究者提出AlInGaN厚層中積累的壓應力是導致此類形貌的主要原因，并通過生長處于不同應力狀態(tài)的AlInGaN厚層證實了該猜想。最后通過將優(yōu)化后的AlInGaN厚層應用在綠光激光器光學限制層中，成功抑制了襯底模出現(xiàn)（圖1）。

圖1. 無漏模綠光激光器，(α)豎直方向上光場遠場分布，（b）光斑圖。

以上內(nèi)容節(jié)選自期刊Fundamental Research 2021年第6期發(fā)表的文章“L. Jiang, J. Liu, A. Tian, et al., Epitaxy of 2.5-μm quaternary AlInGaN for n-cladding layer in GaN-based green laser diodes, Fundamental Research 1(6)(2021) 672-676”。

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