《Optics & Laser Technology》：UV-C microdisk lasers based on AlGaN heterostructures on sapphire
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AlGaN蓝宝石基底微盘激光器实现255 nm紫外-C激光输出，1-3 μm半径器件阈值能量低至8.8 pJ，功率密度280 kW/cm2，品质因子超1000，验证了非晶AlN/Al?O?模板在UV-C激光器中的可行性。
E.I. Moiseev|D.A. Masyutin|I.A. Melnichenko|E.V. Lutsenko|D.A. Shohonov|V.U. Mikulich|A.G. Vainilovich|R. Zhai|Z. Jia|A.A. Pivovarova|N.D. Ilyinskaya|I.P. Smirnova|L.K. Markov|K.A. Ivanov|N.V. Kryzhanovskaya|A.E. Zhukov
俄罗斯圣彼得堡国立研究大学高等经济学院
摘要
在蓝宝石基板上制造的AlGaN耳语廊模式微激光器中，实现了波长接近255纳米的激光发射，这些微激光器的半径范围从1微米到3微米，代表了该技术平台上实现的最短波长微盘激光器之一。对于半径为1微米的微激光器，最小阈值能量为8.8皮焦耳（功率密度约为280千瓦/平方厘米）。当半径为3微米时，阈值能量达到110皮焦耳，而功率密度没有显著变化。其品质因数估计至少为1000。在室温下实现低阈值激光发射，以及与平面工艺兼容的制造技术，表明AlGaN微激光器在UV-C波段具有很高的实际应用潜力。
引言
深紫外（DUV）光源（特别是280纳米以下的UV-C波段）在检测和定性确定有毒及无毒气体浓度[1]、[2]、非视距通信[3]、[4]以及空气/水/表面的物理杀菌[5]方面需求很高。此外，波长小于约230纳米的UV-C光主要被皮肤最外层的非活性角质层吸收，可能会对下方的活细胞造成轻微损伤[6]、[7]。然而，传统的DUV光源（汞灯、四倍Nd:YAG激光器、准分子激光器）由于体积大、可靠性有限和毒性问题，常常不适合许多应用。UVC LED越来越多地被用于这些用途[8]。然而，激光器因其更高的辐射强度、更小的光束发散角和更好的聚焦能力而更受青睐，这在医疗应用中尤为重要。最近，基于生长在低位错天然AlN基板上的氮化铝镓（AlGaN）的低阈值光泵浦DUV激光器已被展示出来[9]、[10]。由于块状AlN基板的供应有限、面积小且成本高，因此希望在更容易获得且价格较低的基板上（如蓝宝石或硅基板）生长DUV激光器。然而，在非天然基板上制造紧凑高效的UV-C波段激光器仍然具有挑战性。在晶格不匹配的基板上生长的高Al含量AlGaN异质结构的低结构质量，以及这种材料中缺乏足够的局域化效应，给发射体的制造带来了严重困难。尽管如此，最近仍有许多DUV激光器的实例被展示出来[11]、[12]、[13]。据报道，基于氮化物的激光器在260纳米以下波长下工作，主要是通过光泵浦实现的，且腔体类型仍然仅限于简单的法布里-珀罗边缘发射激光器，而电驱动操作仅在基于纳米线的几何结构中得到验证[14]。通过MOCVD或等离子辅助MBE制造的平面法布里-珀罗激光器通常在脉冲激发下工作，其激光阈值范围从几十千瓦/平方厘米到几百千瓦/平方厘米不等。该领域的最新进展包括在超过约270纳米波长下连续波（CW）模式运行的注入激光器[15]。这为DUV微激光器的开发开辟了广阔的前景。为了清楚地概述非天然基板上UV-C激光器的现状，并将本研究的结果置于适当的背景中，表1总结了关键参数，包括生长方法、基板、腔体类型、激光阈值、波长和线宽。
UVC微激光器在生物活性物质和有毒物质、气溶胶等的光子微传感器方面具有特别的前景。UVC微激光器也适用于辐射稳定的紫外光子学，由于其波长特性，与现有解决方案相比，它们能够传输大量信息。尽管对UV LED的需求不断增长且发展迅速，但在DUV范围内的耳语廊模式（WGM）微激光器仍相对较少被探索。WGM微激光器提供了一种有前景的途径：它们可以通过标准光刻技术制造，无需使用氮化物VCSEL中使用的复杂应变工程布拉格镜[19]。此外，WGM微激光器本身体积小，易于集成到芯片上。例如，Tabataba-Vakili等人[2]将UV微盘激光器单片集成到III族氮化物在硅上的光子电路中，而Y. Zhang等人[18]报道了基于在Si基板上制造的AlGaN微盘（共振器直径为7微米）的深紫外WGM微激光器，其Q值约为500-1000。我们在这项工作中展示的微激光器直径更小，甚至达到了2微米。此外，它们是在AlN/Al2O3模板上制造的，这种模板广泛用于高Al含量的AlGaN的外延生长（由于晶格失配较小、导热性高和在深紫外区域的透明度高等原因），并且与传统的平面加工工艺兼容。其他替代基板要么在激光波长处吸收光，要么在AlN的情况下难以获取且成本更高，且没有成熟的制造基础。与参考文献[18]中使用的凹刻几何结构不同，这些微盘是在不进行凹刻的情况下制造的。这种配置可能对未来的电泵浦设备有利，因为在这些设备中高效的电流注入和散热至关重要。基于GaN的微谐振器的发展最近已扩展到三维集成结构[20]、柔性基板[21]和环形腔体中的单向激光[22]。尽管这些演示是在比这里研究的UV-C波长更长的波长下进行的，但它们为我们的工作提供了重要的背景信息。
设备结构和制造
该异质结构是通过氨分子束外延（MBE）在2英寸的商业AlN/Al2O3模板（AlN厚度超过3微米）上沉积的，其中包含三个量子阱（QWs），势垒中的Al含量分别为0.5和0.6，作为深紫外发射的活性增益。微盘谐振器（半径1-3微米）通过光刻定义，并通过Ni硬掩模在Cl2/BCl3等离子体中刻蚀而成。在等离子体化学刻蚀过程中实现近乎垂直的侧壁需要
设备表征
使用QC 150 Solar LS脉冲激光器对结构进行光泵浦，激光器波长为213纳米，重复率为100赫兹，脉冲持续时间为1纳秒。微光致发光（μPL）信号通过光纤收集，并由Optosky ATP5020P光谱仪检测。使用SDH-IV光谱仪进行高光谱分辨率测量以确定激光线的宽度。SDH-IV光谱仪的光谱分辨率为0.25纳米。
结论
总之，我们展示了在AlGaN异质结构中运行的光泵浦WGM微盘激光器，工作波长接近255纳米。这些设备的阈值能量低至8.8皮焦耳，半径为1-2微米的器件的阈值功率密度约为280千瓦/平方厘米，在这个范围内阈值密度基本保持不变。对于半径为3微米的器件，阈值增加到约380千瓦/平方厘米，我们认为这是由于谐振器边缘的泵浦效率降低所致。
CRediT作者贡献声明
E.I. Moiseev：撰写——原始草稿，研究。D.A. Masyutin：研究。I.A. Melnichenko：研究。E.V. Lutsenko：撰写——审阅与编辑。D.A. Shohonov：研究。V.U. Mikulich：研究。A.G. Vainilovich：研究。R. Zhai：研究。Z. Jia：研究。A.A. Pivovarova：研究。N.D. Ilyinskaya：研究。I.P. Smirnova：研究。L.K. Markov：撰写——审阅与编辑。K.A. Ivanov：研究。N.V. Kryzhanovskaya：撰写——
资助
本文是在“国际学术合作”项目HSE大学的框架内准备的。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
