Oberflächenemittierende Ultraviolettlaser mit extrem niedriger Schwelle und Halbleiter-Nanodrähten

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 6633 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Oberflächenemittierende (SE) Halbleiterlaser haben unseren Alltag auf verschiedene Weise verändert, beispielsweise in der Kommunikation und Sensorik. Durch die Erweiterung der Betriebswellenlänge von SE-Halbleiterlasern auf einen kürzeren ultravioletten (UV) Wellenlängenbereich werden die Anwendungen weiter auf Desinfektion, medizinische Diagnostik, Phototherapie usw. ausgeweitet. Dennoch blieb die Realisierung von SE-Lasern im UV-Bereich eine Herausforderung. Trotz des jüngsten Durchbruchs bei UV-SE-Lasern mit Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN) basieren die elektrisch injizierten AlGaN-Nanodraht-UV-Laser auf zufälligen optischen Hohlräumen, während AlGaN-UV-SE-Laser mit vertikalem Hohlraum (VCSELs) alle auf optischem Pumpen basieren mit großen Laserschwellenleistungsdichten im Bereich von mehreren hundert kW/cm2 bis MW/cm2. Hier berichten wir über SE-Laser mit ultraniedriger Schwelle im UV-Spektralbereich mit epitaktischen photonischen Nanodrahtkristallen auf GaN-Basis. Gemessen wird die Laserleistung bei 367 nm mit einem Schwellenwert von nur etwa 7 kW/cm2 (~ 49 μJ/cm2), was einer 100-fachen Reduzierung im Vergleich zu den zuvor berichteten herkömmlichen AlGaN-UV-VCSELs bei ähnlichen Laserwellenlängen entspricht. Dies ist auch die erste Errungenschaft von Nanodraht-SE-Lasern mit photonischen Kristallen im UV-Bereich. Angesichts der hervorragenden elektrischen Dotierung, die bereits in III-Nitrid-Nanodrähten nachgewiesen wurde, bietet diese Arbeit einen gangbaren Weg für die Entwicklung der seit langem gesuchten Halbleiter-UV-SE-Laser.

SE-Halbleiterlaser sind wichtig für eine Vielzahl von Bereichen wie Photonik, Informations- und Kommunikationstechnologien und biomedizinische Wissenschaften1,2,3,4,5,6. Im Vergleich zu kantenemittierenden Lasern bieten SE-Laser eine Reihe von Vorteilen wie geringe Strahldivergenz, kreisförmiges Fernfeldmuster, schnelle Modulationsgeschwindigkeit, zweidimensionale Integrationsfähigkeit usw.5, 7. Im Laufe der jahrzehntelangen Entwicklung wurde Galliumarsenid ( GaAs-basierte Nahinfrarot-SE-Laser (IR) haben sich zu einer Milliarden-Dollar-Industrie entwickelt und wirken sich sowohl auf die Datenkommunikation als auch auf 3D-Sensorik wie Gesichtserkennung und Flugzeitbildgebung aus8,9,10,11,12. Der Erfolg von SE-Lasern im nahen Infrarot zeigt sich leider nicht im kürzeren sichtbaren und UV-Spektralbereich. Trotz der ermutigenden Fortschritte bei GaN-basierten blauen und grünen SE-Lasern in den letzten Jahren haben sie beispielsweise noch nicht den gleichen Reifegrad erreicht wie ihre Gegenstücke im nahen IR4, 10, 13,14,15, 16,17,18,19,20,21,22,23. Im UV-Bereich hinkt die Situation noch deutlich hinterher. Keine der vorhandenen Technologien kann den praktischen Anwendungsanforderungen gerecht werden. Der Durchbruch in der UV-SE-Laserentwicklung ist von entscheidender Bedeutung für eine Vielzahl von Anwendungen im Alltag, darunter Desinfektion, medizinische Diagnostik, Phototherapie, Härtung und hochauflösender 3D-Druck24, 25.

Derzeit gibt es zwar viele Anstrengungen zur Entwicklung von UV-SE-Lasern mit anderen Materialsystemen wie organischen Halbleitern und Zinkoxid (ZnO) sowie anderen photonischen Technologien wie der Kopplung nichtlinearer Optik mit GaAs-basierten VCSELs im nahen Infrarotbereich, z , Ref. 26,27,28,29,30,31. AlGaN hat aufgrund einer Reihe von Vorteilen wie direkter, ultrabreiter und einstellbarer Bandlückenenergie, chemischer Stabilität, mechanischer Festigkeit, hoher Kompaktheit usw. großes Interesse für die Entwicklung von UV-SE-Lasern geweckt. Nichtsdestotrotz basieren die bisher gezeigten elektrisch injizierten AlGaN-Nanodraht-UV-SE-Laser alle auf zufälligen optischen Hohlräumen32,33,34,35, während AlGaN-UV-VCSELs alle durch optisches Pumpen erfolgen und alle über große Laserschwellenleistungsdichten verfügen8, 11, 36,37 ,38,39,40,41,42,43,44,45. Beispielsweise beträgt die Schwellenleistungsdichte für Laserstrahlung unter 280 nm 1,2 MW/cm239, und selbst für Laserstrahlung mit längeren Wellenlängen (z. B. nahe 400 nm) liegt die Schwellenleistungsdichte im Bereich von etwa 200–400 kW/cm211 , 40. Hier demonstrieren wir SE-Lasern mit ultraniedriger Schwelle im UV-Spektralbereich mithilfe von GaN-basierten epitaktischen nanodraht-photonischen Kristallstrukturen (epi-NPC), die nicht nur die Nachteile zufälliger optischer Hohlräume mit selbstorganisierten Nanodrähten überwinden, sondern auch verringern die Herausforderungen herkömmlicher AlGaN-UV-VCSELs erheblich. Der in dieser Studie gezeigte UV-SE-Laser liegt bei 367 nm mit einem Schwellenwert von lediglich 7 kW/cm2, was einer 100-fachen Reduzierung im Vergleich zu herkömmlichen AlGaN-UV-VCSELs entspricht. Der Einsatz von SE-Lasern auf Basis photonischer Kristalle kann möglicherweise auch einen gleichmäßigen Einzelmodus über einen großen Bereich und andere Vorteile wie einen bedarfsgesteuerten Strahl bieten12.

Eine schematische Darstellung des Gerätekonzepts ist in Abb. 1a dargestellt, das GaN-Epi-NPC nutzt, das in einem quadratischen Gitter für die Bildung des optischen Hohlraums angeordnet ist, um SE-Laser zu erreichen. Die Verwendung eines quadratischen Gitters ist günstig für das Einmoden-Lasern und ermöglicht die Realisierung verschiedener Funktionalitäten, z. B. Ref. 12, 46. Eine Darstellung der Lichtstrahlausbreitung in der Ebene und der Beugung zur Normalenrichtung, die SE-Lasern bildet, ist ebenfalls in dargestellt der Einschub von Abb. 1a. Abbildung 1b zeigt die Draufsicht eines solchen NPC mit zwei spezifischen Richtungen Γ-X und Γ-M. Für GaN liegt die Lichtemission an der Bandkante bei etwa 364 nm47. Daher entwerfen wir eine NPC-Struktur, die einen Hohlraum bilden kann, um den Laserbetrieb bei dieser Wellenlänge zu unterstützen. Abbildung 1c zeigt die zweidimensionale (2D) transversalmagnetische (TM) photonische Bandstruktur unter Verwendung des 2D-Raum- und Wellenoptikpakets in COMSOL Multiphysics mit einer Gitterkonstante (a, Abstand von Mitte zu Mitte) von 200 nm und einem Nanodrahtdurchmesser ( dNW) von 173 nm. Die gestrichelte Linie stellt die reduzierte Frequenz (a/λ) dar. Im Allgemeinen wird an den Rändern des photonischen Bandes die Geschwindigkeit der Lichtgruppe Null, d. h. dω/dk → 0, so dass stehende Wellen gebildet werden können und mit solch langsamem Licht Laserwirkung erzielt werden kann, da die Wechselwirkungszeit zwischen ihnen erheblich verlängert wird Strahlungsfeld und Verstärkungsmedium19, 21, 22. Aus Abb. 1c ist ersichtlich, dass sich die reduzierte Frequenz an den Bandkanten am Γ-Punkt mit a/λ ~ 0,545 ausrichtet, was auf die Bildung einer stehenden Welle und eine mögliche Laserwirkung (bei Verstärkung) schließen lässt ist größer als der Verlust) an diesem Punkt, mit λ ~ 367 nm. Darüber hinaus kann der Lichtstrahl am Γ-Punkt auch senkrecht zur photonischen Kristallebene gebeugt werden, wodurch ein SE-Lasereffekt entsteht12, 46, 48, 49, 50. Abbildung 1d zeigt außerdem das Modenprofil (|E|2) der entworfenen NPC-Struktur, simuliert mit der dreidimensionalen (3D) Finite-Differenzen-Zeitdomänen-Methode (FDTD). Es ist ersichtlich, dass im NPC eine starke Modenintensität beobachtet wird. In der FDTD-Simulation wurden die Nanodrähte mit den gleichen Designparametern wie oben erwähnt in einem quadratischen Gitter auf einem GaN-Substrat angeordnet. Eine TM-Dipolquelle mit einer zentralen Wellenlänge von 367 nm wurde in der Mitte des Nanodraht-Arrays positioniert. Die laterale Abmessung für die Simulation betrug 6 μm × 6 μm, und es wurde die Randbedingung „Perfect Matched Layer“ (PML) verwendet.

(a) Schematische Darstellung des UV-SE-Lasers mit GaN-Epi-NPC. Einschub: Lichtausbreitung und -beugung in der Ebene senkrecht zur Ebene. (b) Draufsicht der NPC-Struktur mit zwei spezifischen Richtungen Γ-X und Γ-M beschriftet. (c) Photonische Bänder der NPC-Struktur mit a = 200 nm und dNW = 173 nm. Die rote Punktlinie zeigt an, dass die reduzierte Frequenz λ ~ 367 nm entspricht. (d) Das elektrische Feldprofil (|E|2) des Bandkantenmodus, berechnet mit der 3D-FDTD-Methode.

Experimentell wurde die NPC-Struktur auf einem strukturierten GaN-auf-Saphir-Substrat mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) gebildet. Um das Muster zu bilden, wurde zunächst 10 nm dickes Ti mit einem Elektronenstrahlverdampfer abgeschieden, gefolgt von Elektronenstrahllithographie (EBL) und reaktivem Ionenätzen (RIE), um quadratisch angeordnete Nanolöcher mit unterschiedlichen Durchmessern (a = 200 nm) zu erzeugen Gitter. Um den NPC zu bilden, folgte ein zweistufiger Prozess. Das mit Ti-Muster versehene Substrat wurde zunächst bei 400 °C in der MBE-Wachstumskammer nitriert, um Risse und Zersetzung bei erhöhten Temperaturen zu verhindern. Es folgte das Wachstum von GaN-Nanodrähten. Die Wachstumsbedingungen umfassten eine Substrattemperatur (Tsub) von 865 °C, eine Stickstoffflussrate von 0,9 sccm und einen Ga-Fluss von 2,5 × 10−7 Torr. Eine detaillierte Analyse der Wachstumsbedingungen finden Sie an anderer Stelle51.

Die Abmessung des gewachsenen NPC betrug 75 μm × 75 μm, mit Kanten parallel zu den Kanten des Wafers mit einer Größe von 1 cm × 1 cm. Ein optisches Bild des Arrays ist in Abb. S1a dargestellt. Ein Rasterelektronenmikroskopbild (REM) des NPC ist in Abb. 2a dargestellt. Das REM-Bild wurde mit einem Feldemissions-REM (FE) in einem Neigungswinkel von 45° aufgenommen. Es ist zu erkennen, dass die Nanodrähte sehr gleichmäßig sind. Eine detaillierte Untersuchung bestätigt außerdem, dass die Nanodrähte im großen Maßstab eine ähnliche Gleichmäßigkeit aufweisen. Die großformatigen REM-Bilder sind in Abb. S1b – d dargestellt. Statistiken zum Nanodrahtdurchmesser wurden außerdem mithilfe von REM-Bildern durchgeführt, was einen durchschnittlichen dNW von 173,2 nm und eine Standardabweichung von 4,4 nm ergibt (dieser Fehlerbalken könnte durch den EBL-Prozess stark eingeschränkt werden). Auf diese Weise wird experimentell ein großflächiger NPC erhalten, der dem Design (hinsichtlich des Nanodrahtdurchmessers) nahe kommt.

(a) Ein geneigtes REM-Bild der NPC-Struktur (des Laserarrays). (b) Die RTPL-Spektren der Laser- und Nicht-Laser-Arrays. Das REM-Bild des nicht-lasernden Arrays finden Sie in Supp. Die Info.

Abbildung 2b zeigt das Photolumineszenzspektrum (PL) bei Raumtemperatur (RT), das von der oberen Oberfläche der NPC-Struktur (als „Laser-Array“ bezeichnet) aufgenommen und durch einen 213-nm-Pulslaser (Pulsbreite: 7 ns; Wiederholungsrate:) angeregt wurde. 200 Hz) bei einer Spitzenleistungsdichte von 63,5 kW/cm2. Das Laserlicht wurde durch eine Fokuslinse (Punktgröße: ~ 9 × 10–4 cm2) auf die Probenoberfläche fokussiert, und das emittierte Licht wurde auch mit einer Fokuslinse (NA ~ 0,31) von der Probenoberfläche gesammelt, was weiter war gekoppelt an eine optische Faser und ein UV-Spektrometer (QE Pro, spektrale Auflösung ~ 0,3 nm). In Abb. 2b ist auch das PL-Spektrum eines Arrays mit a = 600 nm und dNW = 325 nm (bezeichnet als „nicht laserndes Array“) gezeigt, das unter denselben Bedingungen gemessen wurde. Das REM-Bild des nicht-lasernden Arrays ist in Abb. S2a dargestellt. Die photonische Bandstruktur des nicht-lasernden Arrays wurde ebenfalls berechnet und ist in Abb. S2b dargestellt. Es wurde festgestellt, dass die reduzierte Frequenz a/λ (λ = 367 nm) nicht mit irgendwelchen Bandkantenmoden korreliert, was auf das Fehlen einer Lichtverstärkung schließen lässt. Dies steht im Einklang mit dem, was in Abb. 2b dargestellt ist: Während eine starke PL-Emission vom Laser-Array mit schmaler Linienbreite gemessen wird, ist die PL-Emission vom Nicht-Laser-Array viel schwächer (ungefähr um den Faktor 10 reduziert). Die Linienbreite bleibt breit (ein Halbwertsmaximum in voller Breite von ~ 15 nm). Darüber hinaus liegt die PL-Peakposition des nicht-lasernden Arrays bei etwa 364 nm, was mit der Bandkantenemission von GaN übereinstimmt; wohingegen beim Laserarray der PL-Peak aufgrund des optischen Hohlraums zu einer längeren Wellenlänge verschoben wird.

Detaillierte Messungen bestätigen weiterhin das Erreichen eines SE-Lasers mit extrem niedrigem Schwellenwert. In Abb. 3a sind die Lichtemissionsspektren bei unterschiedlichen Anregungsdichten dargestellt. Es ist zu erkennen, dass mit zunehmender Anregungsdichte die Spektren schmaler werden, begleitet von einem schnellen Anstieg der Lichtintensität. Dieser Trend wird durch die L-L-Kurve (Licht aus versus Licht ein) in Abb. 3b deutlicher dargestellt, mit einem klaren Schwellenwert um 7 kW/cm2. Die Laserwirkung wird durch die Untersuchung der L-L-Kurve in einer logarithmischen Skala weiter bestätigt. Wie in Abb. 3c gezeigt, wird eine klare S-Form beobachtet, die der spontanen Emission (linear), der verstärkten spontanen Emission (superlinear) und dem Lasern (linear) entspricht und den bestätigenden Beweis für Lasern darstellt32,33, 34.

(Im Uhrzeigersinn) (a) Die Lichtemissionsspektren der NPC-Struktur bei verschiedenen Anregungsleistungen. Die Lichtintensität im Vergleich zur Spitzenleistungsdichte in einer linearen Skala (b) und in einer logarithmischen Skala (c). (d) Linienbreite (offene Symbole) und die Position des Lichtemissionspeaks (ausgefüllte Symbole) im Vergleich zur Spitzenleistungsdichte. Strichlinien sind eine Orientierungshilfe für die Augen.

Es wird außerdem darauf hingewiesen, dass in dieser Studie die von der Seite gesammelte Laserlichtintensität nur etwa 1/30 im Vergleich zu der von oben gesammelten beträgt, was darauf hindeutet, dass die Lichtemission von der Oberfläche dominiert wird. Detaillierte Diskussionen finden Sie in Supp. Die Info. Text S3. In dieser Studie haben wir auch die PL-Spektren von GaN-auf-Saphir-Templat und GaN-auf-Saphir mit Ti-Maske gemessen. Die Ergebnisse sind in Supp beschrieben. Die Info. Text S4. Kurz gesagt, bei GaN-auf-Saphir mit Ti-Maske wird nur ein schwacher PL gemessen, was darauf hindeutet, dass die gemessene Lichtemission sowohl vom nicht-lasernden als auch vom laserenden Array von den oben aufgewachsenen GaN-Nanodrähten stammt. Dies bestätigt auch, dass das Lasern auf die Lichtemission des NPC zurückzuführen ist. Es wird außerdem darauf hingewiesen, dass aufgrund der gleichen Höhe des Laser-Arrays und des Nicht-Laser-Arrays ausgeschlossen werden kann, dass das Lasern auf die Bildung eines Fabry-Perot (FP)-Hohlraums zurückzuführen ist.

Der spontane Emissionskopplungsfaktor β wurde weiter geschätzt, indem das Intensitätsverhältnis der spontanen Emission zur Laseremission verwendet wurde, wie durch die gestrichelten Linien in Abb. 3c angegeben. Daraus lässt sich ein β-Faktor von etwa 0,08 ableiten. Dieser β-Faktor ist vergleichbar mit den zuvor berichteten photonischen Kristall-SE-Lasern und ist aufgrund der effizienten Photonenkopplung in einem photonischen Kristallhohlraum8, 11, 14, 23 größer im Vergleich zu den in herkömmlichen AlGaN-UV-VCSELs berichteten Werten. Abbildung 3d zeigt die Linienbreite und die Peakwellenlänge als Funktion der Anregungsleistung. Es ist eine deutliche Verringerung der Linienbreite in der Nähe der Schwelle zu erkennen. Die relativ breite Linienbreite könnte mit mehreren Lasermodi zusammenhängen. Darüber hinaus ist auch zu erkennen, dass die Spitzenwellenlänge nach dem Schwellenwert nahezu unverändert bleibt, was auf eine nahezu stabile Laserwellenlänge schließen lässt.

Abschließend wird die Polarisation in der Ebene am Γ-Punkt untersucht. In diesem Zusammenhang wurde die Lichtemission von der Geräteoberseite mit einem in den Lichtsammelpfad eingefügten Polarisator gesammelt, wohingegen das Pumpende dem zuvor für die in den Abbildungen gezeigten Ergebnisse beschriebenen ähnelt. 2 und 3. Das Sammelende ist in Abb. 4a schematisch dargestellt: Ein Glan-Taylor-Polarisator wird im Lichtsammelpfad platziert und der Winkel φ in der Ebene ist ebenfalls angegeben. Hier bedeutet φ = 0°, dass das elektrische Feld entlang der Transmissionsachse des Polarisators verläuft. Aus Abb. 4b ist ersichtlich, dass die Lichtintensität bei φ = 0° etwa zehnmal stärker ist als die Lichtintensität bei φ = 90°, was darauf hindeutet, dass das emittierte Licht am Γ-Punkt stark in der Ebene polarisiert ist. Abbildung 4c zeigt außerdem die Lichtintensität bei verschiedenen Winkeln φ. Wenn das Polarisationsverhältnis (Polarisationsgrad) ρ = (Imax − Imin)/(Imax + Imin) definiert wird, erhält man einen ρ-Wert von etwa 0,8, was auf einen hohen Grad an Polarisation in der Ebene hindeutet. Ein ähnliches Polarisationsverhalten wurde bereits früher von SE-Lasern mit photonischen Kristallen auf InGaN-Basis berichtet14, 19, 21, 23. Das Polarisationsverhalten in der Ebene in der vorliegenden Studie könnte mit mehreren Lasermodi zusammenhängen, und der detaillierte Mechanismus wird derzeit untersucht.

(a) Das Schema der In-Plane-Polarisationsmessung am Γ-Punkt. (b) Polarisierte Lichtemission vom NPC bei φ = 0° und φ = 90°. (c) Diagramm der vom NPC gemessenen Lichtintensität bei verschiedenen Winkeln φ in der Ebene. Die Anregungsdichte betrug 63,5 kW/cm2.

Abbildung 5 zeigt das Vergleichsdiagramm der in dieser Studie erreichten Laserschwelle im Vergleich zu den Laserschwellen der zuvor berichteten herkömmlichen AlGaN-UV-VCSELs bei verschiedenen Wellenlängen. Es ist ersichtlich, dass bei herkömmlichen AlGaN-UV-VCSELs die Laserschwelle im Bereich von mehreren hundert kW/cm2 bis MW/cm2 liegt und die Laserschwelle steigt, wenn die Laserwellenlänge kürzer wird, wie durch die gestrichelte Linie angezeigt. Für Laserstrahlung bei Wellenlängen, die der Wellenlänge in der vorliegenden Studie ähneln, liegt der Schwellenwert bei etwa 0,7–1 MW/cm2. Im Gegensatz dazu liegt die Laserschwelle in der vorliegenden Studie nur bei etwa 7 kW/cm2.

Vergleich der Laserschwellenleistungsdichte (Pth): die zuvor berichteten konventionellen AlGaN-UV-VCSELs mit den NPC-UV-SE-Lasern in dieser Studie. Die gestrichelte Linie ist eine Orientierungshilfe für die Augen.

Bei den herkömmlichen AlGaN-UV-VCSELs liegen die Hauptherausforderungen in der Schwierigkeit, qualitativ hochwertige DBR-Spiegel (Distributed Bragg Reflector) zu erhalten (hauptsächlich begrenzt durch die Materialqualität aufgrund großer Gitterfehlanpassungen), der Schwierigkeit, AlGaN mit niedrigem spezifischem Widerstand zu erhalten schlechte elektrische Dotierung (hauptsächlich p-Typ) und die Komplexität des Geräteherstellungsprozesses, z. B. Lit. 8, 11. Die Verwendung epitaktischer photonischer Nanodrahtkristalle kann diese Herausforderungen erheblich mildern. Beispielsweise wurde nachgewiesen, dass die Bottom-Up-Nanodrähte aufgrund der effizienten Spannungsrelaxation auf die große Oberfläche die Materialqualität verbessern können, z. B. Lit. 47, 52, 53. Darüber hinaus wird die Nutzung der Bandkantenmoden von Photonische Kristalle für den Laserbetrieb können die problematischen DBR-Spiegel für die Hohlraumbildung vermeiden. Dies trägt maßgeblich zum in dieser Studie erzielten UV-SE-Laser mit extrem niedrigem Schwellenwert im Vergleich zu herkömmlichen AlGaN-UV-VCSELs bei.

Ein weiterer wichtiger Grund für das Erreichen des UV-SE-Lasers mit ultraniedriger Schwelle in dieser Studie ist die experimentelle Bildung eines großmaßstäblichen, hochwertigen NPC. Um einen solchen NPC zu haben, ist eine genaue Übereinstimmung mit dem Design entscheidend. Wir haben zuvor die Korrelation der lateralen Wachstumsrate mit den Wachstumsbedingungen und dem Musterdesign mithilfe der Niedertemperatur-selektiven Flächenepitaxie (LT-SAE)51 festgestellt; und in dieser Studie wurden weiterhin umfangreiches MBE-Wachstum und Substratstrukturierung durchgeführt, was teilweise auf die Fehlergrenze im EBL-Prozess zurückzuführen ist. Darüber hinaus könnte die deutlich verbesserte selektive Flächenepitaxie durch LT-SAE ein weiterer Faktor sein, der zum hochwertigen NPC51 im großen Maßstab beiträgt.

Zusammenfassend haben wir in dieser Arbeit SE-Laser mit extrem niedrigem Schwellenwert im UV-Spektralbereich unter Verwendung von GaN-Epi-NPC demonstriert. Die Laserwellenlänge liegt bei 367 nm, mit einem Schwellenwert von lediglich 7 kW/cm2 (oder ~ 49 μJ/cm2), zwei Größenordnungen niedriger im Vergleich zu den zuvor berichteten herkömmlichen AlGaN-UV-VCSELs mit ähnlichen Laserwellenlängen. Auch diese Laserschwelle ist im Vergleich zu herkömmlichen AlGaN-VCSELs im nahen UV-Spektralbereich um mehr als eine Größenordnung niedriger. Angesichts der hervorragenden elektrischen Dotierung, die bereits in III-Nitrid-Nanodrähten54,55,56 etabliert wurde, und des vollständig epitaktischen Prozesses bietet diese Studie einen gangbaren Weg für die Entwicklung elektrisch injizierter SE-Halbleiterlaser im UV-Bereich mit kontrollierten Strahleigenschaften , im Gegensatz zu den zuvor demonstrierten elektrisch injizierten UV-Zufallslasern mit Halbleiter-Nanodrähten, sowie die Integrationsfähigkeit in andere bestehende Halbleiterbauelementplattformen für erweiterte Funktionalitäten.

Die Daten sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wird vom Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) und dem Fonds de Recherche du Quebec – Nature et Technologies (FRQNT) unterstützt. Die Autoren möchten CMC Microsystems für die Bereitstellung von Produkten und Dienstleistungen danken, die diese Forschung erleichtert haben.

Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, McGill University, 3480 University Street, Montreal, QC, H3A 0E9, Kanada

Mohammad Fazel Vafadar & Songrui Zhao

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Die SZ hatte die Idee. MV führte Simulationen, Musterdesign, MBE-Wachstum, SEM-Experimente und PL-Experimente durch und wurde von SZ bei MBE-Wachstums- und PL-Experimenten unterstützt. Alle Autoren haben zum Verfassen des Manuskripts beigetragen.

Korrespondenz mit Songrui Zhao.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Vafadar, MF, Zhao, S. Oberflächenemittierende Ultraviolettlaser mit extrem niedriger Schwelle und Halbleiter-Nanodrähten. Sci Rep 13, 6633 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33457-9

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Eingegangen: 09. März 2023

Angenommen: 13. April 2023

Veröffentlicht: 24. April 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-33457-9

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