南航物理学院科研团队实现电泵浦单模激光二极管

近日，南京航空航天大学物理学院“光电功能材料、器件与物理”科研团队提出了一种新型的“超吸收”概念，实现了电泵浦单模激光二极管。大尺寸的金属Pt纳米颗粒作为一种超吸收材料，可以在光脉冲激发和电激发下调控单根氧化锌微米线的激光输出模式、实现单模激光输出，为开发一维线型微/纳米结构超低阈值单模激光器的提供了可能的技术路线。该成果以“Electrically driven single microwire-based single-mode microlaser” 为题发表在国际顶级学术期刊《Light: Science *Applications》上。

图1 光脉冲激发单根PtNPs@ZnO:Ga微米线单模激光的实验结果

研究人员采用简单的碳热还原反应法制备了高结晶质量的六边形Ga掺杂ZnO（ZnO:Ga）微米线。所制备的单根ZnO:Ga微米线作为激光增益介质和高品质光学谐振腔，可以用于实现回音壁模（WGM）紫外受激辐射。同时，Ga元素的掺入能够有效的增强单根微米线的电学输运特性，特别是其可媲美于微纳尺度的金属丝的导电能力。然而，微米尺度的微腔因其尺寸远大于紫外激光波长，一般都缺少有效地选取单模的机制，导致群速度色散较大，脉冲展宽，难以实现单模输出。为实现单根ZnO:Ga微米线微腔的激光模式调控及单模激光输出，研究人员巧妙地利用大尺寸Pt纳米颗粒（PtNPs）作为超吸收材料依附在单根ZnO:Ga微米线的表面，获得了高品质因子和低阈值的单模激光，如图1所示。此外，研究人员还系统地研究了PtNPs修饰ZnO:Ga 微米线中激光增益与吸收损耗之间的相互作用。通过调控PtNPs的尺寸大小，得到了最佳性能的单模激光及其产生的条件。更为重要的是，PtNPs的引入并没有破坏激光谐振腔的光增益获取；同时，随着PtNPs尺寸的增加，微米线谐振腔激光的产生可以由多模向单模转换，较为灵活地实现了单模激光的模式调控。

图2 电激发单根PtNPs@ZnO:Ga微米线基异质结二极管单模激光器的结构和实验结果

研究人员针对n-ZnO:Ga MW/p-GaN异质结发光器件结构中载流子注入效率低和界面处光损耗的严重问题，引入了Pt/MgO金属纳米薄膜和介质缓冲层，设计并制备了n-ZnO:Ga MW/Pt/MgO/p-GaN异质结器件。该器件在正向驱动偏压下可实现无自发辐射背景的电驱动紫外多模式受激辐射。低反射指数介质层MgO的引入可以适当调制n-ZnO:Ga/p-GaN异质结的能带结构，降低电子泄漏，操纵载流子在微米线中的传输路径和降低异质结界面的光损耗，从而实现以ZnO:Ga近带边发光为主导的纯紫外发光。而Pt纳米薄膜的引入可以进一步优化异质结界面质量，使单根ZnO:Ga微米线与p-GaN之间的电接触更加容易和可靠。两者的结合可以有效地提高有源区载流子注入效率和光增益的获取，将结区耗尽层载流子的复合、激光介质和光学微谐振腔融合到一起，产生紫外受激辐射。为了获得电驱动的单模激光器，研究人员进一步改善器件结构，将大尺寸PtNPs（d ~ 130 nm）修饰的单根ZnO:Ga 微米线作为有源层引入到n-PtNPs@ZnO:Ga MW/Pt/MgO/p-GaN异质结激光二极管中，获得了具有单频发射的紫外激光二极管。如图2所示，在正向驱动偏压下，该器件的激光阈值电流、FWHM和品质因子Q分别为11.12 mA、0.18 nm和2169。实验和理论的研究结果表明大尺寸的金属PtNPs作为超吸收材料，可以在不破坏微米线光学谐振腔的条件下操纵激光谐振腔的振荡模式，实现激光由多模向单模的转变，见图3。此外，研究人员还测试了具有高重复性和可控性的单模激光器的实现情况，即沉积合适尺寸的PtNPs可以调制光在单根ZnO:Ga 微米线中的传输路径，实现激光的模式锁定。该研究结果为开发基于一维半导体微/纳米线的单模微激光器设计和构建提供了一个直接有效地方案。

图3 电激发单根PtNPs@ZnO:Ga微米线基异质结二极管单模激光的实验结果和机理分析

该研究基于大尺寸Pt纳米颗粒所提出的超吸收概念，能够为宽带隙半导体低维结构微腔激光输出模式调控、实现单模输出提供了一种新颖的实验方案。该超吸收概念相较于目前广泛应用的实验方案，更简单、易操作，特别是对微腔的损耗与增益之间进行有效的调控。该器件结构能有效地将结区耗尽层、激光增益介质和光学谐振腔完美的集成在单根微米线结构中，结合大尺寸Pt纳米颗粒对微腔模式的调控，实现高性能的电驱动单模激光二极管。该文章为宽带隙半导体微腔单模激光器件的设计与构筑提供一种全新的实验方案与器件结构，特别是为基于常用一维微/纳米结构超低阈值激光器的开发提供了新的思路。

研究成果以 Electrically driven single microwire-based single-mode microlaser 为题发表在Light: Science * Applications期刊上。南京航空航天大学物理学院周祥博博士生为第一作者，姜明明研究员、施大宁教授和阚彩侠教授为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金（11974182，11874220）和中央高校基本科研业务费（NC2022008）等项目的支持。

论文地址：https://www.nature.com/articles/s41377-022-00874-w

(来源：南京航空航天大学)