激光被認(rèn)為是二十世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一，它的出現(xiàn)有力地推動了探測、通信、加工、顯示等領(lǐng)域的進(jìn)步。半導(dǎo)體激光器是成熟較早、進(jìn)展較快的一類激光器，具有體積小、效率高、成本低、壽命長等特點(diǎn)，因而應(yīng)用非常廣泛，早年的基于GaAsInP體系紅外激光器更是奠定了信息革命的基石。氮化鎵激光器（LD）是近些年來先發(fā)展的一種新型光電子器件，基于GaN材料體系的激光器能夠?qū)⒐ぷ鞑ㄩL從原先的紅外拓展到整個可見光譜與紫外光譜范圍，在顯示、照明、金屬加工、國防、量子通信等領(lǐng)域顯示了巨大的應(yīng)用前景。

激光產(chǎn)生的原理為光增益材料中的光通過在光腔中振蕩放大，形成相位、頻率和傳播方向高度一致的光。對于邊發(fā)射的脊型半導(dǎo)體激光器而言，其光腔在三個空間維度均能對光實(shí)現(xiàn)限制，其中沿激光出射方向的限制主要通過解理、鍍膜制成的諧振腔來實(shí)現(xiàn)，在水平方向上主要是利用脊型形成的等效折射率差來實(shí)現(xiàn)光限制，而在豎直方向的光學(xué)限制則是依靠不同材料之間的折射率差來實(shí)現(xiàn)。例如，808 nm的紅外激光器的增益區(qū)為GaAs量子阱，光學(xué)限制層則是采用了低折射率的AlGaAs，由于GaAs與AlGaAs材料晶格常數(shù)幾乎一致，因此此種結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)光學(xué)限制的同時不會產(chǎn)生因晶格失配導(dǎo)致的材料質(zhì)量問題。

在氮化鎵基激光器中，通常使用低折射率的AlGaN作為光學(xué)限制層，采用高折射率的(In)GaN作為波導(dǎo)層。然而，隨著發(fā)光波長的增加，光學(xué)限制層與波導(dǎo)層之間的折射率差不斷減小，使得其對于光場的限制效果不斷減小。特別是綠光激光器中，此類結(jié)構(gòu)已經(jīng)無法限制光場，使得光會泄露到下方的襯底層中，由于空氣/襯底/光學(xué)限制層的附加波導(dǎo)結(jié)構(gòu)存在，泄露到襯底中的光能夠形成穩(wěn)定模式（襯底模）。襯底模的存在會導(dǎo)致豎直方向上的光場分布不再是高斯分布，而是會出現(xiàn)“萼瓣”，光束質(zhì)量下降無疑會影響器件的使用。

近期，中科院蘇州納米所的劉建平研究員課題組基于前期光學(xué)仿真研究結(jié)果（DOI：10.1364/OE.389880），提出通過采用晶格常數(shù)與折射率能夠同時調(diào)整的AlInGaN四元材料作為光學(xué)限制層來抑制襯底模的出現(xiàn)，相關(guān)成果發(fā)表在國家自然科學(xué)基金委員會主管、主辦的Fundamental Research 期刊上。在研究中，實(shí)驗(yàn)人員首先通過優(yōu)化外延生長工藝參數(shù)，在GaN/Sapphire模板上異質(zhì)外延生長了臺階流形貌的高質(zhì)量AlInGaN薄層。隨后在GaN自支撐襯底上進(jìn)行AlInGaN厚層同質(zhì)外延時發(fā)現(xiàn)表面會出現(xiàn)無序脊型形貌，導(dǎo)致表面粗糙度增加，從而影響后續(xù)激光器其它結(jié)構(gòu)的外延生長。通過對外延生長的應(yīng)力與形貌關(guān)系分析，研究者提出AlInGaN厚層中積累的壓應(yīng)力是導(dǎo)致此類形貌的主要原因，并通過生長處于不同應(yīng)力狀態(tài)的AlInGaN厚層證實(shí)了該猜想。最后通過將優(yōu)化后的AlInGaN厚層應(yīng)用在綠光激光器光學(xué)限制層中，成功抑制了襯底模出現(xiàn)（圖1）。

圖1. 無漏模綠光激光器，(α)豎直方向上光場遠(yuǎn)場分布，（b）光斑圖。

以上內(nèi)容節(jié)選自期刊Fundamental Research 2021年第6期發(fā)表的文章“L. Jiang, J. Liu, A. Tian, et al., Epitaxy of 2.5-μm quaternary AlInGaN for n-cladding layer in GaN-based green laser diodes, Fundamental Research 1(6)(2021) 672-676”。

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