电子束泵浦AlGaN深紫外激光器的研究

Deep ultraviolet (DUV) semiconductor laser has a broad application prospect and great market value in the national defense construction and national economy construction. However, in fact, the development of current injection type p-n junction AlGaN DUV laser diode is restricted due to the difficulty to obtain high quality, high hole carrier concentration and low resistivity of p-type AlGaN with high Al content. In this project, the electron-beam-pumped AlGaN DUV laser will be investigated. It focuses on solving the scientific problems and implementation approach of DUV laser obtained by the method of electron-beam-pumping. In detail of the project, the research on efficient miniaturization electron-beam source based on triode structure field emission will be carried out. The energy band of high Al content AlxGa1-xN/AlN multiple quantum wells (MQW) active layer will be designed and controlling the growth of materials. The structure of low loss, high gain optical resonator will be designed and grown. It also investigates the physical process of population inversion realized by electron-beam pumping the active layer and the optical transition mechanism, as well as the performance evaluation of electron-beam-pumped DUV laser. The aims of this project are to lay theoretical and experimental basis for obtaining high efficient and practical DUV laser.

深紫外半导体激光器在国防建设和国民经济建设中具有广阔的应用前景和巨大的市场价值。本项目针对高Al组分AlGaN很难获得高质量、高空穴载流子浓度、低电阻率的p型掺杂材料，制约电注入型p-n结AlGaN深紫外半导体激光器发展的问题，提出开展电子束泵浦AlGaN深紫外激光器的研究。重点解决电子束激励方式获得深紫外激光的科学问题和实现途径。通过开展基于三极结构场致电子发射的高效小型化电子束源的研究；高Al组分AlxGa1-xN/AlN多量子阱有源层的能带设计与调控生长；低损耗高增益光学谐振腔的结构设计与材料生长；电子束泵浦有源层实现粒子数反转的物理过程和光跃迁机制的研究，以及电子束泵浦深紫外激光器性能评估，为获得高效、实用化的深紫外激光器奠定理论和实验基础。

深紫外半导体激光器在自由空间保密光通讯、激光照明、新一代超高密度光存储、高分辨光谱分析、生物医学诊断以及科学研究等国防建设和国民经济建设领域具有广泛的应用前景和市场需求。III族氮化物半导体中的AlGaN材料优异的物理化学性能决定了其作为深紫外半导体发光、激光器件工作物质的发展潜力。然而，高Al组分AlGaN p型掺杂是制约电泵浦p-n结AlGaN深紫外半导体激光器发展和应用的关键问题。本课题围绕深紫外半导体激光器的重要需求和制约其发展的关键问题，开展了电子束泵浦AlGaN深紫外半导体激光器的研究。深入研究了基于n-GaN/ZnO纳米柱的低阈值场致电子发射阴极及高效小型化电子束源，优化制备了深紫外波段AlGaN/AlN多量子阱有源层及高反射率分布布拉格反射镜，探索基于场致发射电子束泵浦实现受激辐射的物理机制，揭示电子束泵浦AlGaN实现粒子数反转的能量传递机制，最终研制成功基于场致电子发射的电子束泵浦AlGaN深紫外激光器。在J. Mater. Chem. C，Nanoscale等期刊发表了论文5篇以上，影响因子大于3.0的SCI论文3篇，申请发明专利6项，分别参加第十四、十五届全国MOCVD学术会议并作口头报告。项目执行期间，项目负责人担任J. Alloy. Compd.杂志审稿人，并获得该杂志审稿“优秀贡献奖”。..取得的主要成果和关键数据如下：..1、揭示了n-GaN螺位错诱导自组装水热生长ZnO纳米柱的生长机理，成功获得基于n-GaN/ZnO纳米柱的高效小型化场致发射电子束源，开启电场小于4.5 V/μm，发射电流密度高达1.2 mA/cm2。在此基础上，开发出基于n-GaN/ZnO纳米柱光电阴极的光场正反馈增强型场致发射电子束源。..2、获得了表面平整、无裂纹的高质量深紫外波段AlGaN/AlN多量子阱有源层。5个周期的多量子阱（MQW）有源层至少清晰观察到3级卫星峰，发光中心波长位于280 nm。..3、理论模拟与实验相结合，成功制备了中心波长位于280nm的深紫外波段高反射率（～90%）分布布拉格反射镜（DBR），并构建光学谐振腔，有利支撑了电子束泵浦激光器的研制。..本项目的实施，为获得高效、实用化的电子束泵浦AlGaN深紫外激光器奠定理论和实验基础。