近日，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与苏州实验室合作，成功研制出GaN基光子晶体面发射激光器（PCSEL），并实现了室温电注入激射。这一成果受到国家重点研发计划项目和苏州实验室项目的资助，推动了中国在GaN基PCSEL领域的技术进步。
研究团队首先通过仿真设计了GaN基PCSEL器件结构，并外延生长了高质量的GaN基激光器材料。在此基础上，团队开发了低损伤的光子晶体刻蚀与钝化工艺，成功制备了GaN基PCSEL器件，其光子晶体区域尺寸为400×400μm²。通过角分辨光谱测量发现，当注入电流较低时，能带结构清晰，辐射模式C的强度最大；随着电流增加，非辐射模式B的强度显著增强，直至激射。实验表明，器件在阈值电流附近的模式半高宽约为0.05 nm，实现了基模B的激射。
图片来源：中国科学院苏州纳米所【图中，(a) GaN基PCSEL的结构示意图，(b)光泵测试得到的光子晶体能带结构，光子晶体的(c)表面和(d)截面扫描电子显微镜图】
据中国科学院苏州纳米所介绍，传统的FP腔激光器、DFB激光器以及垂直腔面发射激光器（VCSEL）等难以同时满足单模、大功率和小发散角的性能需求。而光子晶体面发射激光器（PCSEL）凭借大功率、小发散角的单模激光输出，成为研究热点之一。GaN基半导体材料因其高发光效率和良好的化学稳定性，被认为是制造PCSEL的理想材料，在新型显示、材料加工等领域具有广泛应用前景。此前，全球范围内仅有日本实现了GaN基PCSEL的电注入激射。
未来，研究团队计划采用高质量的GaN单晶衬底，设计新型的GaN基PCSEL结构，并突破器件制备与封装散热技术，以实现高功率（10-100W）单模激光输出。
