近日，我校电子科学与技术学院梅洋助理教授、张保平教授课题组与中国科学院半导体所赵德刚研究员、杨静研究员课题组紧密合作，在紫外波段氮化镓（GaN）基垂直腔面发射激光器（VCSEL）领域取得重大突破，相关成果以“GaN-based ultraviolet vertical-cavity surface-emitting lasers operating under room-temperature continuous-wave current injection”为题发表于国际应用物理领域权威期刊Applied Physics Letters。该研究在国际上首次实现了紫外波段GaN基VCSEL的电注入连续激射，将电驱动GaN基VCSEL的激射波长拓展至380.1 nm。

图 (a-c) 紫外VCSEL器件截面SEM照片；(d) 不同注入电流下的电致发光光谱，激射波长为380.1 nm。

GaN基VCSEL在照明、显示、光通信、海洋探测、生物医疗和紫外固化等方面具有广泛应用前景，是GaN光电子器件领域的研究热点。目前，蓝光至绿光波段的电注入GaN基VCSEL已取得较大进展，但紫外波段电注入VCSEL的实现仍面临巨大挑战。一方面，常用的氧化铟锡（ITO）透明导电层在紫外区域存在严重的光学吸收损耗（390 nm处吸收系数高达约4000 cm⁻¹）；另一方面，传统SiO₂电流限制层导热性能极差（热导率仅约1.56 W/mK），严重阻碍了有源区热量向热沉的散发。上述光学损耗与热管理问题共同制约了紫外VCSEL的电注入激射。目前所有电注入GaN基VCSEL波长均长于400 nm，在波长短于400 nm的紫外波段尚无电注入激射报道。

针对上述难题，梅洋助理教授与张保平教授课题组从器件结构与制备工艺两方面开展了系统性的创新设计，赵德刚研究员、杨静研究员课题组专注激光器材料MOCVD外延生长。在光学设计方面，研究团队引入了HfO₂光学调整层对光场分布进行精确调控，同时将ITO电流扩展层厚度减薄至20 nm。通过将ITO置于光场节点、有源区置于光场波腹，大幅降低了ITO的光学吸收损耗，ITO吸收损耗从先前报道的16.4 cm⁻¹降至5.1 cm⁻¹，降幅达69%。在热管理方面，团队采用B⁺注入替代传统的SiO₂电流限制层，并结合电镀铜热沉技术，显著改善了器件的散热能力，测得热阻仅为209 K/W，远优于同类器件的报道值。此外，通过激光剥离（LLO）后的化学机械抛光（CMP）处理，将n-GaN表面粗糙度均方根（RMS）从1.71 nm降至0.24 nm，界面散射损耗从3.26%降至0.07%，进一步降低了光学损耗。同时，赵德刚研究员、杨静研究员在紫外激光器材料外延取得了重要突破，生长出高质量的GaN基紫外VCSEL激光器结构。

在上述综合优化的基础上，该研究成功实现了室温连续电注入条件下的紫外VCSEL激射，激射波长为380.1 nm，阈值电流密度为14.9 kA/cm²。光谱测量显示，激射后380.1 nm峰值强度急剧上升，半高宽显著收窄至约28 pm。器件的开启电压约为4.3 V，反向漏电流在10⁻⁸ A量级，展现了良好的电学性能。

该研究成果首次验证了电注入紫外GaN基VCSEL的可行性，将电驱动GaN基VCSEL的激射波长范围成功拓展至紫外波段。这一突破为紫外激光光源的小型化、集成化发展开辟了新路径，有望推动紫外激光在生物调控、杀菌消毒、医疗及紫外固化等领域的实际应用。

上述研究由我院梅洋助理教授与张保平教授领导的课题组与中国科学院半导体研究所赵德刚与杨静研究员课题组、南方科技大学合作完成，论文的共同通讯作者为梅洋助理教授、杨静研究员和张保平教授，第一作者为电子学院硕士生邹志杰。该工作得到了国家自然科学基金（62234011、62474150、U21A20493）、国家重点研发计划（2024YFB3613100）、福建省自然科学基金（2023J05020、2023J011458、2026J009015）、广东省自然科学基金（2025A1515011349）等科研项目的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1063/5.0326228

（电子科学与技术学院）