一维III族氮化物半导体微腔结构中激子极化激元和受激辐射研究

This project suggests designing and fabricating one-dimension(1D) III-nitride semiconductor nanorods, as to realize high Q-factor III-nitride based microcavities, polariton lasing in this 1D microcavities at room temperature, which based on the research track and results of Youth NSFC Project submitted in 2009. The research focus on the fabrication of 1D III-nitride nanorods and the exciton-photon coupling process in the 1D microcavities. It investigates the nano-patterning of GaN template, the selective growth mechanism of GaN nanorods, the correlations between microstructure and emission properties of multiple quantum wells(MQW) in the top and side of nanorods, the assembly and optical matching between distributed Bragg reflector(DBR) and MQW active layers. It investigates the Rabi splitting of exciton polaritons, lasing phenomenon and threshold condition of the 1D III-nitride microcavities, which provides one new method to achieve high efficiency, low threshold GaN-based lasers.

该申请在总结09年青年基金项目的研究思路和已取得的成果基础上，提出了设计和制备一维纳米柱III族氮化物微腔结构的创新研究思路，以获得高品质(Q)因子的III族氮化物微腔结构，实现微腔中激子极化激元在室温下受激辐射为研究目标。项目紧密围绕一维III族氮化物纳米柱结构制备技术和低维结构中激子-光子耦合物理过程，重点研究GaN基板的纳米图形制备及转移，GaN在纳米尺寸上选择外延机制，纳米柱微观结构与发光空间分布的关联，分布式布拉格反射镜(DBR)结构与量子阱有源层的集成与匹配，微腔结构中激子极化激元的拉比分裂，受激辐射现象和产生阈值条件，为制备高效率、低阈值的GaN基半导体激光器提供新途径。

本项目围绕一维III 族氮化物纳米柱结构制备技术和低维结构中激子-光子耦合过程和激射物理现象展开研究，我们发展了紫外软纳米压印技术大面积制备III族氮化物高度有序低维结构，掌握了氮化物纳米柱选择外延生长工艺条件和加工制备技术，阐明了低维氮化物量子阱结构中载流子的复合规律，研制出一维InGaN/GaN纳米柱LED器件，低维氮化物/量子点混合杂化结构白光LED，表面等离激元耦合增强一维氮化物半导体微腔激光器等新型光电子器件。一维氮化物表面等离激元增强纳米激光器在室温光泵阈值密度仅为0.15kW/cm2，激射波长为493nm，半峰宽约为4nm，品质因子Q达到123，并且纳米柱几何尺寸与构型的改变可调控实现单模和多模激射。. 本项目共计发表学术论文26篇，其中项目负责人第一/通讯作者发表17篇，包括Advanced Functional Materials，Nanotechnology等三篇封面高亮论文；参编学术专著一部；申请发明专利10个；参加国际/国内学术会议10余次，并做邀请/口头报告。培养研究生15名，项目负责人获国家优秀青年基金资助，教育部青年长江学者，获教育部技术发明一等奖。