常規的半導體(ti) 激光器，如Fabry–Pérot（FP）腔激光器、分布式反饋（DFB）激光器以及垂直腔麵發射激光器（VCSEL）等，無法兼具單模、大功率、小發散角等優(you) 良特性；而光子晶體(ti) 麵發射激光器（PCSEL）利用二維光子晶體(ti) 的布拉格衍射，可實現大功率、小發散角的單模激光輸出（圖1），成為(wei) 國內(nei) 外研究熱點之一。氮化镓（GaN）基半導體(ti) 材料為(wei) 直接帶隙，發光波長覆蓋了可見光到深紫外等波段，具有發光效率高、化學穩定性好等優(you) 點，可用於(yu) 製造PCSEL。GaN基PCSEL在新型顯示、材料加工、激光照明、水下通信、星間通信、芯片原子鍾、深空探測、原子雷達、激光醫療等領域具有廣闊的應用前景，得到了廣泛關(guan) 注。

圖1. FP腔邊發射激光器、DFB邊發射激光器、VCSEL和PCSEL的結構示意圖、典型遠場發散角及輸出光譜特性。

日本京都大學Noda教授團隊於(yu) 1999年首次提出了PCSEL的概念，並於(yu) 2008年在Science 319,445 (2008)首次報道了GaN基紫光PCSEL的室溫電注入激射，隨後分別於(yu) 2022年與(yu) 日本Stanley公司合作、2024年與(yu) 日本Nichia公司合作，將GaN基PCSEL的激射波長進一步拓展到藍光和綠光波段。目前，全球範圍內(nei) 僅(jin) 有日本實現了GaN基PCSEL的電注入激射。

依托中國科學院蘇州納米所建設的半導體(ti) 顯示材料與(yu) 芯片重點實驗室與(yu) 蘇州實驗室合作，近日研製出GaN基光子晶體(ti) 麵發射激光器，並實現了室溫電注入激射。

研究團隊首先仿真設計了GaN基PCSEL器件結構，隨後外延生長了高質量的GaN基激光器材料，並開發了低損傷(shang) 的光子晶體(ti) 刻蝕與(yu) 鈍化工藝，製備了GaN基PCSEL器件，光子晶體(ti) 區域尺寸為(wei) 400×400 μ㎡（圖2）。通過角分辨光譜測量GaN基PCSEL在 Γ-X 方向上的能帶結構（圖3），可以觀察到：注入電流較低時，能帶結構清晰，輻射模式C的強度最大；隨著電流增大，非輻射模式B的強度顯著增強，直至激射。通過測量能帶，可以確定器件是基模B的激射，閾值電流附近的模式半高寬約為(wei) 0.05 nm。

圖2. (a) GaN基PCSEL的結構示意圖，(b)光泵測試得到的光子晶體(ti) 能帶結構，光子晶體(ti) 的(c)表麵和(d)截麵掃描電子顯微鏡圖。

圖3. (a-e)不同注入電流下測量得到的GaN基PCSEL Γ-X方向的能帶結構，(f) GaN基PCSEL峰值波長與(yu) 光譜半高寬隨注入電流的變化曲線。

基於(yu) 上述工作，研究團隊實現了GaN基光子晶體(ti) 麵發射激光器的室溫電注入激射（圖4），激射波長約為(wei) 415 nm，閾值電流為(wei) 21.96 A，對應閾值電流密度約為(wei) 13.7 kA/c㎡，峰值輸出功率約為(wei) 170 mW。下一步擬采用高質量的GaN單晶襯底，設計新型的GaN基PCSEL結構，並突破PCSEL器件製備與(yu) 封裝散熱技術，實現高功率（10~100 W）單模激光輸出。

圖4. GaN基PCSEL (a)不同注入電流下的電致發光光譜、(b)輸出光功率-電流-電壓曲線、(c)遠場光斑，GaN基PCSEL激射(d)前、(e)後的近場圖像。

該研究成果由楊輝研究員、孫錢研究員和馮(feng) 美鑫研究員共同指導重點實驗室的工作人員和學生完成，相關(guan) 論文正在撰寫(xie) 中。相關(guan) 工作得到了國家重點研發計劃項目、蘇州實驗室項目等資助。