半導体ナノワイヤを用いた超低閾値面発光紫外線レーザー

Scientific Reports volume 13、記事番号: 6633 (2023) この記事を引用

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SE（面発光）半導体レーザーは、通信やセンシングなどさまざまな面で私たちの日常生活を変えてきました。 SE 半導体レーザーの動作波長をより短い紫外 (UV) 波長範囲に拡張することで、消毒、医療診断、光線療法などへの用途がさらに広がります。それにもかかわらず、UV 範囲で SE レーザーを実現することは依然として課題です。窒化アルミニウムガリウム (AlGaN) を使用した UV SE レーザーの最近の進歩にも関わらず、電気的に注入された AlGaN ナノワイヤー UV レーザーはランダムな光共振器に基づいていますが、AlGaN UV 垂直共振器 SE レーザー (VCSEL) はすべて光ポンピングを介しており、数百kW/cm2からMW/cm2の範囲の大きな発振閾値パワー密度を持ちます。ここでは、GaN ベースのエピタキシャルナノワイヤフォトニック結晶を使用して、UV スペクトル範囲で超低しきい値の SE 発振を報告します。 367 nm でのレーザ発振が測定され、その閾値はわずか約 7 kW/cm2 (約 49 μJ/cm2) であり、以前に報告された同様の発振波長における従来の AlGaN UV VCSEL と比較して 100 分の 1 の係数です。これは、紫外領域におけるナノワイヤフォトニック結晶 SE レーザーの最初の成果でもあります。さらに、III族窒化物ナノワイヤですでに確立されている優れた電気的ドーピングを考慮すると、この研究は長年求められてきた半導体UV SEレーザーの開発に実行可能な道を提供します。

SE 半導体レーザーは、フォトニクス、情報通信技術、生物医学などのさまざまな分野で重要です 1、2、3、4、5、6。端面発光レーザーと比較して、SE レーザーには、ビーム発散の低さ、円形ファーフィールドパターン、高速変調速度、二次元集積機能など、多くの利点があります 5、7。数十年にわたる開発により、ガリウムヒ素 ( GaAs) ベースの近赤外 (IR) SE レーザーは 10 億ドル産業に成長し、データ通信と、顔認識や飛行時間型イメージングなどの 3D センシングの両方に影響を与えています8、9、10、11、12。残念ながら、近赤外領域での SE レーザーの成功は、より短い可視スペクトル領域や紫外スペクトル領域では見られません。たとえば、近年の GaN ベースの青色および緑色 SE レーザーのめざましい進歩にも関わらず、近赤外域の対応するレーザーと同じレベルの成熟度にはまだ達していません4、10、13、14、15、 16、17、18、19、20、21、22、23。紫外線領域では状況はさらに遅れています。既存のテクノロジーはどれも実用化のニーズを満たすことができません。 UV SE レーザー開発の画期的な進歩は、消毒、医療診断、光線療法、硬化、高解像度 3D プリンティングなど、私たちの日常生活に関連するさまざまな用途にとって極めて重要です24、25。

現時点では、有機半導体や酸化亜鉛 (ZnO) などの他の材料系を使用した UV SE レーザーの開発や、非線形光学を近赤外 GaAs ベースの VCSEL に結合するなどの他のフォトニック技術を開発する既存の取り組みが数多くあります。、参考文献２６、２７、２８、２９、３０、３１。 AlGaN は、直接、超広帯域、調整可能なバンドギャップエネルギー、化学的安定性、機械的強度、非常にコンパクトなどの多くの利点により、UV SE レーザー開発で幅広い関心を集めています。それにもかかわらず、これまでに実証された電気的に注入された AlGaN ナノワイヤ UV SE レーザーはすべてランダムな光共振器に基づいている 32、33、34、35 のに対し、AlGaN UV VCSEL はすべて光ポンピングを介しており、すべて大きなレーザー発振閾値パワー密度を備えています 8、11、36、37。、38、39、40、41、42、43、44、45。たとえば、280 nm 未満のレーザー発振のしきい値パワー密度は 1.2 MW/cm239 であり、より長い波長 (たとえば 400 nm に近い) での発振の場合でも、しきい値パワー密度は約 200 ～ 400 kW/cm211 の範囲にあります。 , 40. 本明細書では、GaN ベースのエピタキシャルナノワイヤフォトニック結晶 (epi-NPC) 構造を使用して、UV スペクトル範囲で超低しきい値の SE 発振を実証します。これは、自己組織化ナノワイヤによるランダム光キャビティの欠点を克服できるだけでなく、従来の AlGaN UV VCSEL の課題を大幅に軽減します。この研究で示された UV SE レーザ発振は 367 nm で、しきい値はわずか 7 kW/cm2 で、従来の AlGaN UV VCSEL と比較して 100 分の 1 です。フォトニック結晶ベースの SE レーザーを使用すると、広い領域にわたって均一な単一モードや、オンデマンドビームなどの利点を提供できる可能性があります 12。

デバイス概念の概略図を図1aに示します。これは、SEレーザ発振を実現するための光共振器形成のために正方格子に配置されたGaNエピNPCを利用しています。正方格子の使用は、シングルモードレーザ発振に有利であるだけでなく、たとえば参考文献 12、46 などのさまざまな機能を実現するのに有利です。SE レーザ発振を形成する面内光ビームの伝播と法線方向への回折の図も図に示されています。図1aの挿入図。図 1b は、そのような NPC の上面図を示しており、2 つの特定の方向 Γ-X および Γ-M が示されています。 GaN の場合、バンド端の発光は約 364 nm です47。したがって、この波長付近の発振をサポートするキャビティを形成できる NPC 構造を設計します。図 1c は、COMSOL Multiphysics の 2D 空間と波動光学パッケージを使用した 2 次元 (2D) 横磁性 (TM) フォトニックバンド構造を示しています。格子定数 (a、中心間距離) は 200 nm、ナノワイヤの直径は ( dNW) 173 nm。点線は低減された周波数 (a/λ) を表します。一般に、フォトニックバンド端では、光の群速度がゼロ、つまり dω/dk → 0 になるため、定在波が形成され、そのような遅い光を使用してレーザー発振が実現できます。これは、フォトニックバンド間の相互作用時間が大幅に増大するためです。図 1c から、低減された周波数が a/λ ~ 0.545 の Γ 点でバンドエッジに揃っていることがわかり、定在波の形成とレーザー発振の可能性を示唆しています (ゲインの場合)。は損失より大きい)、この点では、λ ~ 367 nm です。さらに、Γ 点では、光ビームはフォトニック結晶面に対して垂直に回折することもでき、SE 発振を形成します 12、46、48、49、50。図 1d はさらに、3 次元 (3D) 時間領域差分 (FDTD) 法を使用してシミュレーションされた、設計された NPC 構造のモードプロファイル (|E|2) を示しています。 NPC では強いモード強度が観測されていることがわかります。 FDTDシミュレーションでは、上記と同じ設計パラメータを有するナノワイヤをGaN基板上に正方格子状に配置した。中心波長 367 nm の TM 双極子源をナノワイヤアレイの中心に配置しました。シミュレーションの横方向の寸法は 6 μm × 6 μm で、完全整合層 (PML) 境界条件が使用されました。

(a) GaN エピ NPC を使用した UV SE レーザー発振の概略図。挿入図: 面内の光の伝播と面に垂直な回折。 (b) NPC 構造の上面図。2 つの特定の方向 Γ-X および Γ-M がラベル付けされています。 (c) a = 200 nmおよびdNW = 173 nmのNPC構造のフォトニックバンド。赤い点線は、低減された周波数が λ ~ 367 nm に対応することを示します。 (d) 3D FDTD法により計算されたバンドエッジモードの電場プロファイル(|E|2)。

実験的には、分子線エピタキシー (MBE) を使用して、パターン化されたサファイア基板上の GaN 基板上に NPC 構造を形成しました。パターンを形成するには、まず電子ビーム蒸着装置を使用して 10 nm の Ti を蒸着し、続いて電子ビームリソグラフィー (EBL) と反応性イオンエッチング (RIE) を使用して、正方形に配置された異なる直径 (a = 200 nm) のナノホールを作成しました。格子。 NPC を結成するには 2 段階のプロセスを経ました。高温での亀裂や劣化を防ぐために、Ti パターンの基板は最初に MBE 成長チャンバー内で 400 °C で窒化されました。続いて、GaN ナノワイヤが成長しました。成長条件は、基板温度（Tsub）865℃、窒素流量0.9sccm、Gaフラックス2.5×10−7Torrとした。詳細な増殖条件分析は他の場所で見つけることができます51。

成長した NPC の寸法は 75 μm × 75 μm で、エッジは 1 cm × 1 cm のサイズのウェーハのエッジに平行でした。アレイの光学画像を図S1aに示します。 NPCの走査型電子顕微鏡(SEM)画像を図2aに示します。 SEM 画像は、電界放出 (FE) SEM を使用して 45° の傾斜角で撮影されました。ナノワイヤが非常に均一であることがわかる。詳細な検査により、ナノワイヤが大規模でも同様の均一性を有することがさらに確認されました。大規模なSEM画像を図S1b〜dに示します。ナノワイヤ直径の統計は、SEM 画像を使用してさらに実行され、平均 dNW 173.2 nm、標準偏差 4.4 nm が得られました (このエラーバーは EBL プロセスによって大きく制限される可能性があります)。したがって、（ナノワイヤの直径に関して）設計に近い大面積の NPC が実験的に得られます。

(a) NPC 構造 (レーザーアレイ) の傾斜視野 SEM 画像。 (b) レーザー発振アレイと非発振アレイの RTPL スペクトル。非レーザーアレイの SEM 画像は、Supp. にあります。情報。

図 2b は、213 nm パルスレーザー (パルス幅: 7 ns、繰り返し速度: 200 Hz)、ピーク電力密度 63.5 kW/cm2 で。レーザー光はフォーカスレンズ（スポットサイズ：〜9×10-4cm2）を通してサンプル表面に集光され、放出された光もフォーカスレンズ（NA〜0.31）を使用してサンプル表面から集光されました。光ファイバーと UV 分光計 (QE Pro、スペクトル分解能 ~ 0.3 nm) に接続されています。また、図２ｂには、同じ条件下で測定されたａ＝６００ｎｍおよびｄＮＷ＝３２５ｎｍのアレイ（「非レーザ発振アレイ」と示す）のＰＬスペクトルも示されている。非レーザーアレイのSEM画像を図S2aに示します。非レーザーアレイのフォトニックバンド構造も計算され、図S2bに示されています。低減された周波数 a/λ (λ = 367 nm) はどのバンドエッジモードとも相関しないことがわかり、光増幅が存在しないことを示唆しています。これは、図 2b に示されているものと一致しています。狭い線幅のレーザ発振アレイからは強い PL 発光が測定されますが、非レーザ発振アレイからの PL 発光は、次のように非常に弱くなります (およそ 10 分の 1 に減少します)。線幅は広いままです (全幅の半値は約 15 nm)。さらに、非発振アレイの PL ピーク位置は約 364 nm であり、GaN のバンド端発光と一致しています。一方、レーザーアレイの場合、光キャビティにより PL ピークはより長い波長にシフトします。

詳細な測定により、超低しきい値の SE レーザー発振の達成がさらに確認されます。図3aに示されているのは、異なる励起密度での発光スペクトルです。励起密度が増加すると、スペクトルが狭くなり、それに伴い光強度が急激に増加することがわかります。この傾向は、図3bのL-L（光出力対光入力）曲線によってより明確に示されており、明確な閾値は約7 kW/cm2です。対数スケールで L-L 曲線を調べることによって、レーザー発振がさらに確認されます。図3cに示すように、自然放出（リニア）、増幅自然放出（スーパーリニア）、およびレーザー発振（リニア）に対応する明確なS字型が観察され、これがレーザー発振の確認証拠となります32,33。 34.

(時計回り) (a) 異なる励起パワー下での NPC 構造の発光スペクトル。線形スケール (b) および対数スケール (c) での光強度とピークパワー密度の関係。 (d) 線幅 (白抜き記号) および発光ピーク位置 (黒塗り記号) 対ピーク電力密度。破線は目のガイドです。

さらに、この研究では、側面から収集されたレーザー光の強度は、上部から収集されたものと比較してわずか約 1/30 であり、表面が支配的な発光であることを示唆していることに注意してください。詳細な議論は補足にあります。情報。 S3 にテキストを送信します。この研究では、GaN-on-sapphire テンプレートと Ti マスクを備えた GaN-on-sapphire の PL スペクトルも測定しました。結果は補足に記載されています。情報。 S4 にテキストを送信します。簡単に言えば、Ti マスクを備えたサファイア上の GaN からは弱い PL のみが測定され、非レーザー発振アレイとレーザー発振アレイの両方から測定された発光が上部に成長した GaN ナノワイヤーからのものであることを示唆しています。これにより、レーザー発振が NPC からの発光によるものであることが確認されます。また、レーザ発振アレイと非レーザ発振アレイは同じ高さを有するため、レーザ発振がファブリ・ペロー（FP）キャビティの形成によるものである可能性は排除されることにも留意されたい。

自然放出結合係数βは、図3cの破線で示されているように、自然放出対レーザー放出の強度比を使用してさらに推定されました。約 0.08 の β 係数を導き出すことができます。この β 因子は、以前に報告されたフォトニック結晶 SE レーザーに匹敵し、フォトニック結晶キャビティ内の効率的な光子結合により、従来の AlGaN UV VCSEL で報告された値と比較して大きくなっています 8、11、14、23。図 3d は線幅を示しています。励起パワーの関数としてのピーク波長。しきい値付近で線幅が明らかに減少していることがわかります。比較的広い線幅は、複数の発振モードに関連している可能性があります。さらに、閾値を超えた後はピーク波長がほとんど変化していないこともわかり、発振波長がほぼ安定していることを示唆しています。

最後にΓ点における面内分極を調べます。この点に関して、光放射は、光収集経路に挿入された偏光子を用いてデバイスの上部から収集されたが、ポンピング端は、図１および２に示された結果について前述したものと同様である。集光端は図4aに概略的に示されています。グラン・テイラー偏光子が集光経路に配置されており、面内角度φも示されています。ここで、φ = 0°は、電場が偏光子の透過軸に沿っていることを意味します。図4bから、φ = 0°での光強度は、φ = 90°での光強度と比較して約10倍強いことがわかり、放出された光がΓ点で面内で高度に偏光していることを示唆しています。図 4c はさらに、さまざまな角度 φ での光の強度を示しています。偏光比 (偏光度) ρ = (Imax − Imin)/(Imax + Imin) と定義すると、約 0.8 の ρ 値が得られ、高度な面内偏光が示唆されます。同様の偏光挙動は、InGaN ベースのフォトニック結晶 SE レーザーからも以前に報告されています 14、19、21、23。本研究の面内偏光挙動は複数の発振モードに関連している可能性があり、詳細なメカニズムは研究中です。

(a) Γ点における面内偏光測定の概略図。 (b) φ = 0°およびφ = 90°での NPC からの偏光放射。 (c) 異なる面内角度 φ で NPC から測定された光強度のプロット。励起密度は６３．５ｋＷ／ｃｍ２であった。

図 5 は、この研究で達成された発振閾値と、以前に報告された従来の AlGaN UV VCSEL のさまざまな波長での発振閾値との比較プロットを示しています。従来のAlGaN UV VCSELの場合、発振閾値は数百kW/cm2からMW/cm2の範囲にあり、点線で示すように発振波長が短くなるにつれて発振閾値が増加することがわかります。本研究の波長と同様の波長でのレーザー発振の場合、しきい値は約 0.7 ～ 1 MW/cm2 です。対照的に、本研究における発振閾値はわずか約 7 kW/cm2 です。

発振閾値パワー密度 (Pth) の比較: 以前に報告された従来の AlGaN UV VCSEL とこの研究の NPC UV SE レーザー。破線は目の目安です。

従来の AlGaN UV VCSEL の主な課題は、高品質の分布ブラッグ反射鏡 (DBR) ミラーを入手することの難しさ (大きな格子不整合による材料品質によって主に制限される)、低抵抗率の AlGaN を入手することの難しさです。エピタキシャルナノワイヤフォトニック結晶を使用すると、これらの課題を大幅に軽減できます。例えば、ボトムアップナノワイヤは、大きな表面積に対する効率的なひずみ緩和により材料品質を改善できることが証明されている（参考文献47、52、53など）。レーザー発振用のフォトニック結晶は、キャビティ形成のための問題となる DBR ミラーを回避できます。これは、従来の AlGaN UV VCSEL と比較して、この研究で達成された超低閾値 UV SE レージングに大きく貢献しています。

この研究で超低しきい値 UV SE 発振を達成したもう 1 つの重要な理由は、大規模で高品質の NPC を実験的に形成したことです。このような NPC を配置するには、デザインに厳密に一致することが重要です。我々は以前に、低温選択領域エピタキシー（LT-SAE）51を使用して、横方向成長速度と成長条件およびパターン設計との相関関係を確立しました。そしてこの研究では、部分的にはEBLプロセスのエラーバーのため、大規模なMBE成長と基板パターニングがさらに実行されました。さらに、LT-SAE によって選択領域エピタキシーが大幅に改善されたことも、大規模で高品質な NPC51 に寄与するもう 1 つの要因である可能性があります。

要約すると、この研究では、GaN エピ NPC を使用して UV スペクトル範囲で超低しきい値の SE 発振を実証しました。発振波長は 367 nm で、しきい値はわずか 7 kW/cm2 (または約 49 μJ/cm2) であり、以前に報告された同様の発振波長の従来の AlGaN UV VCSEL と比較して 2 桁低いです。この発振閾値も、近紫外スペクトル範囲で従来の AlGaN VCSEL と比較して 1 桁以上低くなります。さらに、III族窒化物ナノワイヤ54、55、56および完全なエピタキシャルプロセスですでに確立されている優れた電気ドーピングを考慮すると、この研究は、制御されたビーム特性を備えた紫外領域での電気注入型SE半導体レーザーの開発に実行可能な道を提供します。これは、以前に実証された半導体ナノワイヤを使用した電気的に注入された UV ランダムレーザーや、機能を向上させるために他の既存の半導体デバイスプラットフォームへの統合機能とは対照的です。

データは、対応する著者への合理的な要求に応じて入手できます。

井上哲也ほか 100W～1kWのシングルモード動作のフォトニック結晶面発光レーザを実現するための一般的なレシピ。ナット。共通。 13、7。 https://doi.org/10.1038/s41467-022-30910-7 (2022)。

記事 CAS Google Scholar

廣瀬和也ほかワットクラスの高出力、高ビーム品質のフォトニック結晶レーザー。ナット。フォトニクス 8、406–411。 https://doi.org/10.1038/nphoton.2014.75 (2014)。

記事 ADS CAS Google Scholar

ルー、H.-Y. 他。垂直放射のためにより多くの光を抽出: フラットバンドに基づく 1.3 μm 量子ドットフォトニック結晶面発光レーザーの高出力連続波動作。光科学。応用 8、2. https://doi.org/10.1038/s41377-019-0214-2 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

松原洋他青紫波長のGaNフォトニック結晶面発光レーザー。サイエンス 319、445–447。 https://doi.org/10.1126/science.1150413 (2008)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Michalzik, R. VCSEL: 垂直共振器面発光レーザーの基礎、技術、および応用 (Springer、2013)。

Google Scholar を予約する

Liu, A.、Wolf, P.、Lott, JA & Bimberg, D. データ通信およびセンシング用の垂直共振器面発光レーザー。フォトニクス研究所 7、121。 https://doi.org/10.1364/prj.7.000121 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

Iga, K. 垂直共振器面発光レーザーの 40 年: 発明と革新。日本Ｊ．Ａｐｐｌ．物理学。 57、08PA01。 https://doi.org/10.7567/jjap.57.08pa01 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Hjort、F.ら。 310 nm 光ポンピング AlGaN 垂直共振器面発光レーザー。 ACS フォトニクス 8、135–141。 https://doi.org/10.1021/acsphotonics.0c01382 (2021)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Larsson, A. 通信とセンシング用の VCSEL の進歩。 IEEE J. Sel. 上。量子電子。 17、1552 ～ 1567 年。 https://doi.org/10.1109/jstqe.2011.2119469 (2011)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Zhang, C.、Elafandy, R. & Han, J. GaN ベースの垂直共振器面発光レーザー用の分散ブラッグ反射器。応用科学。 9、1593。https://doi.org/10.3390/app9081593 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

Mei, Y. 他 376 ～ 409 nm の低しきい値波長可変紫外垂直共振器面発光レーザー。ファンダム。解像度 1、684–690。 https://doi.org/10.1016/j.fmre.2021.11.001 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

Noda, S.、Kitamura, K.、Okino, T.、Yasuda, D.、Tanaka, Y. フォトニック結晶面発光レーザ: 変調フォトニック結晶の概説と紹介。 IEEE J. Sel. 上。量子電子。 23、1-7。 https://doi.org/10.1109/jstqe.2017.2696883 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

倉本正史ほかワットクラスの青色垂直共振器面発光レーザーアレイ。応用物理学。 Express 12、091004。https://doi.org/10.7567/1882-0786/ab3aa6 (2019)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Shih Wei, C.、Tien Chang, L.、Tsung Ting, K. AlN/GaN 分布ブラッグ反射器を備えた GaN ベースのフォトニック結晶面発光レーザー (PCSEL) の研究。 IEEE J. セレクト。上。量子電子。 15、885–891。 https://doi.org/10.1109/jstqe.2008.2010877 (2009)。

記事 Google Scholar

Lee, S. et al. 埋め込みトンネル接合コンタクトを備えた GaN ベースの垂直共振器面発光レーザーのデモンストレーション。オプション。エクスプレス 27、31621 ～ 31628。 https://doi.org/10.1364/OE.27.031621 (2019)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

ユウ、H.-C. 他。近紫外から緑色発光までの GaN ベース VCSEL の進歩と展望。プログレ量子電子。 57、1-19。 https://doi.org/10.1016/j.pquantelec.2018.02.001 (2018)。

記事 ADS CAS MathSciNet Google Scholar

Hamguchi, T.、Tanaka, M.、中島 H. 曲面誘電体 DBR 反射鏡とホウ素イオン注入による横方向閉じ込めを備えた可視 GaN ベース VCSEL の最新の進歩に関するレビュー。日本Ｊ．Ａｐｐｌ．物理学。 58、0806。https://doi.org/10.7567/1347-4065/ab0f21 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

竹内哲、神山 S.、岩谷 M.、赤崎 I. AlInN/GaN 分布ブラッグ反射器を備えた GaN ベースの垂直共振器面発光レーザー。プログレ議員。物理学。 82、012502。https://doi.org/10.1088/1361-6633/aad3e9 (2019)。

記事 ADS CAS Google Scholar

ラー、Y.-H. 他。電気的に励起される面発光半導体緑色レーザー。科学。上級 6、7523。https://doi.org/10.1126/sciadv.aav7523 (2020)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Mishkat-Ul-Masabih、SM、Aragon、AA、Monavarian、M.、Luk、TS & Feezell、DF 格子整合したナノ多孔質分散型ブラッグ反射鏡を備えた電気注入無極性 GaN ベース VCSEL。応用物理学。 Express 12、036504。https://doi.org/10.7567/1882-0786/ab0576 (2019)。

記事 ADS CAS Google Scholar

ラー、Y.-H. & リー、C.-R. 超小型ディスプレイピクセル: トンネル接合ナノワイヤフォトニック結晶レーザー。ナノエネルギー 84、105870。https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.105870 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

石沢伸、岸野和、荒木隆、菊池明、杉本晋。InGaN/GaN 多重量子井戸三角格子ナノコラムアレイからの光励起緑色 (530 ～ 560 nm) 誘導放出。応用物理学。 Express 4、055001。https://doi.org/10.1143/apex.4.055001 (2011)。

記事 ADS Google Scholar

Lu, T.-C.、Chen, S.-W.、Kao, T.-T. & リュー、T.-W. GaN系フォトニック結晶面発光レーザの特徴。応用物理学。レット。 93、111111。https://doi.org/10.1063/1.2986527 (2008)。

記事 ADS CAS Google Scholar

キム、D.-K. & カン、D.-H. UVC LED照射により、チャンバー型空気消毒システムでエアロゾル化したウイルス、細菌、真菌を効果的に不活化します。応用環境。微生物。 84、e00944。 https://doi.org/10.1128/AEM.00944-18 (2018)。

論文 CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kneissl, M.、Seong, T.-Y.、Han, J. & Amano, H. 深紫外発光ダイオード技術の出現と展望。ナット。フォトニクス 13、233–244。 https://doi.org/10.1038/s41566-019-0359-9 (2019)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Spehr、T. et al. スピロテルフェニルをベースとした有機固体紫外線レーザー。応用物理学。レット。 87、161103。https://doi.org/10.1063/1.2105996 (2005)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Ma, X.、Chen, P.、Li, D.、Zhang, Y.、Yang, D. シリコン基板上の電気励起 ZnO 膜紫外線ランダムレーザー。応用物理学。レット。 91、251109。https://doi.org/10.1063/1.2826543 (2007)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Chu, S. et al. ZnO ナノワイヤから発振する電気的にポンピングされた導波路。ナット。ナノテクノロジー。 6、506–510。 https://doi.org/10.1038/nnano.2011.97 (2011)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

ウー、Ｘら。紫外フォトニック結晶レーザー。応用物理学。レット。 85、3657–3659。 https://doi.org/10.1063/1.1808888 (2004)。

記事 ADS CAS Google Scholar

ハスティ、JE et al. キャビティ内周波数を 2 倍にした赤色垂直外部キャビティ面発光レーザーからの調整可能な紫外出力。応用物理学。レット。 89、061114。https://doi.org/10.1063/1.2236108 (2006)。

記事 ADS CAS Google Scholar

シュワルツベック、T. 他 AlGaInP 垂直外部共振器面発光レーザーの共振器内周波数 2 倍化による波長可変紫外レーザー発光 (328 nm まで)。応用物理学。レット。 99、261101。https://doi.org/10.1063/1.3660243 (2011)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Zhao, S. et al. 自己組織化AlGaNナノワイヤにおける電荷キャリアの三次元量子閉じ込め：電気的に注入された深紫外レーザーへの実行可能な手段。ナノレット。 15、7801–7807。 https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5b02133 (2015)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Zhao, S. et al. 紫外 C バンドで動作する電気的に注入された AlGaN ナノワイヤレーザー。応用物理学。レット。 107、043101。https://doi.org/10.1063/1.4927602 (2015)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Zhao, S.、Liu, X.、Wu, Y.、Mi, Z. 室温で動作する電気励起 239 nm AlGaN ナノワイヤレーザー。応用物理学。レット。 109、191106。https://doi.org/10.1063/1.4967180 (2016)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Li, KH、Liu, X.、Wang, Q.、Zhao, S. & Mi, Z. 低温で動作する Si 上の超低しきい値電気注入 AlGaN ナノワイヤ紫外線レーザー。ナット。ナノテクノロジー。 10、140–144。 https://doi.org/10.1038/nnano.2014.308 (2015)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Cardinali, G. et al. 成長後のキャビティの離調によって可能になる、低しきい値の AlGaN ベース UVB VCSEL。応用物理学。レット。 121、103501。https://doi.org/10.1063/5.0097903 (2022)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Behzadirad、M. et al. 干渉リソグラフィーによって調整されたスケーラブルなトップダウンアプローチにより、サファイア基板上に大面積のシングルモード GaN ナノワイヤレーザーアレイを実現します。 ACS ナノ 12、2373 ～ 2380。 https://doi.org/10.1021/acsnano.7b07653 (2018)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Redwing, JM、Loeber, DAS、Anderson, NG、Tischler, MA、Flynn, JS 光励起 GaN-AlGaN 垂直共振器面発光レーザー。応用物理学。レット。 69、1-3。 https://doi.org/10.1063/1.118104 (1996)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Zheng、Z.ら。 AlGaNベースの深紫外垂直共振器面発光レーザー。 IEEE 電子デバイスレター。 42、375–378。 https://doi.org/10.1109/led.2021.3052725 (2021)。

記事 ADS CAS Google Scholar

パーク、S.-H. 他。拡張共振器方式での室温の GaN 垂直共振器面発光レーザー動作。応用物理学。レット。 83、2121–2123。 https://doi.org/10.1063/1.1611643 (2003)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Chen, R.、Sun, HD、Wang, T.、Hui, KN & Choi, HW 室温での窒化物ナノピラーからの光励起紫外線レーザー発振。応用物理学。レット。 96、241101。https://doi.org/10.1063/1.3449576 (2010)。

記事 ADS CAS Google Scholar

リュー、Y.-S. 他。導電性の n 型分布ブラッグ反射器を備えた、374.9 nm で光ポンピングされた垂直共振器面発光レーザー。応用物理学。 Express 9、111002。https://doi.org/10.7567/apex.9.111002 (2016)。

記事 ADS Google Scholar

パーク、YJらエアギャップ/Al0.05Ga0.95N 分布ブラッグ反射器を備えた 375 nm で光ポンピングされた垂直共振器面発光レーザー。垂直共振器面発光レーザー XXIII SPIE、Vol. 10938、27–33 (2019)。

チャン、TCら。高コントラストのグレーティング反射鏡を備えた GaN 垂直共振器面発光レーザー。ハイコントラストメタストラクチャ VII SPIE、Vol. 10542、30–35 (2018)。

Liu、YSら。紫外垂直共振器面発光レーザーの開発。レーザーと電気光学に関する欧州会議: Optica Publishing Group、Vol. 2015、PD_A_2。

野田聡、横山正、今田正、チュティナン明、望月正、単位格子構造設計による二次元フォトニック結晶レーザの偏光モード制御。サイエンス 293、1123–1125。 https://doi.org/10.1126/science.1061738 (2001)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Chen, F.、Ji, X.、Lau, SP III 族窒化物ナノ構造の最近の進歩: 材料から応用まで。メーター。科学。工学 R 議員 142、100578。https://doi.org/10.1016/j.mser.2020.100578 (2020)。

記事 Google Scholar

Liang, Y.、Peng, C.、Sakai, K.、Iwabashi, S. & Noda, S. 横電気分極を備えた正方格子フォトニック結晶レーザーの 3 次元結合波モデル: 一般的なアプローチ。物理学。 Rev. B 84、195119。https://doi.org/10.1103/PhysRevB.84.195119 (2011)。

記事 ADS CAS Google Scholar

酒井和也ほか面発光フォトニック結晶レーザーのレーザーバンド端の識別。 IEEE J. Sel. 共通エリア 23、1335–1340。 https://doi.org/10.1109/jsac.2005.851205 (2005)。

記事 Google Scholar

大西大輔、岡野拓也、今田正人、野田真司、面発光二次元フォトニック結晶ダイオードレーザーの室温連続波動作。オプション。急行 12 号、1562 ～ 1568 年。 https://doi.org/10.1364/OPEX.12.001562 (2004)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Vafadar, MF & Zhao, S. GaN ナノワイヤの低温選択領域エピタキシー: 上面形態制御可能な完全エピタキシャルナノフォトニックプラットフォームに向けて。 ACS アプリケーションナノメーター。 5、16045–16050。 https://doi.org/10.1021/acsanm.2c04117 (2022)。

記事 CAS Google Scholar

Glas, F. 自立型ナノワイヤにおける歪んだ軸方向ヘテロ構造の塑性緩和の臨界寸法。物理学。 Rev. B 74、121302。https://doi.org/10.1103/physrevb.74.121302 (2006)。

記事 ADS Google Scholar

Kamimura, J.、Kishino, K.、Kikuchi, A. 高周波プラズマ支援分子線エピタキシーによる横方向成長を伴う InN の選択領域成長による転位の低減。応用物理学。レット。 97、141913。https://doi.org/10.1063/1.3488824 (2010)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Zhao, S. & Mi, Z. 分子線エピタキシーによる p 型 III 窒化物ナノワイヤの最近の進歩。クリスタル 7、268。https://doi.org/10.3390/cryst7090268 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

Zhao, S. et al. 窒化アルミニウムナノワイヤ発光ダイオード: 深紫外光源の根本的なボトルネックを打破します。科学。議員5、1-5。 https://doi.org/10.1038/srep08332 (2015)。

記事 CAS Google Scholar

Zhao, S.、Lu, J.、Hai, X. & ying, X. 紫外発光用 AlGaN ナノワイヤ: 最近の進歩、課題、および展望。マイクロマシン 11、125。https://doi.org/10.3390/mi11020125 (2020)。

記事 PubMed PubMed Central Google Scholar

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この研究は、カナダ自然科学工学研究評議会 (NSERC) およびケベック自然科学財団 (FRQNT) によって支援されています。著者らは、この研究を促進する製品とサービスを提供した CMC Microsystems に感謝の意を表します。

マギル大学電気・コンピュータ工学部、3480 University Street、モントリオール、QC、H3A 0E9、カナダ

モハマド・ファゼル・ヴァファダル & ソンルイ・ジャオ

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SZ がこのアイデアを思いつきました。 MV はシミュレーション、パターン設計、MBE 成長、SEM 実験、PL 実験を実施し、SZ は MBE 成長と PL 実験を支援しました。著者全員が原稿執筆に協力してくれました。

趙松瑞への対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Vafadar, MF、Zhao, S. 半導体ナノワイヤを使用した超低しきい値表面発光紫外線レーザー。 Sci Rep 13、6633 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-33457-9

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受信日: 2023 年 3 月 9 日

受理日: 2023 年 4 月 13 日

公開日: 2023 年 4 月 24 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-33457-9

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