Small:驭光而行——基于III族氮化物的等离激元纳米激光器

半导体电子器件与集成电路芯片极大的推动了现代社会科学与技术的发展,也改变了人们的生活方式。光与电子的相互作用一直是半导体领域核心的研究方向之一。自激光器发明以来,其微型化一直是研究热点,其目的是获得更小体积、更高调制速度和更低功耗的激光器。基于芯片光互连的应用就需要将激光光源的尺寸缩小至接近电子器件,同时要求其功耗能够远小于电互连。过去的四十年中,微型激光器的研究获得了很多成果,报道了垂直腔面发射激光器、微盘激光器、光子晶体激光器和纳米线激光器等。但是此类激光器仍然受到传统光学衍射极限的限制,使得器件每个维度的尺寸难以小于半波长。等离激元纳米激光器是一种超小尺寸的新型激光器,其主要利用金属中自由电子振荡形成的表面等离激元,实现激子的放大受激辐射效应。从而使得其器件的物理尺寸能够远小于波长,有望实现亚微米尺寸的光互联集成芯片。

南京大学电子科学与工程学院刘斌教授团队设计了高质量III族氮化物半导体材料结合金属-氧化物-半导体(MOS)共振腔结构,得到超低阈值的亚波长纳米激光器,并且实现了电子束泵浦的深紫外-可见光波段纳米激光器,实验上首次观测到亚微米波长激光光源的干涉现象,证明了纳米激光器的时间-空间相干性,并阐明了偶极子与等离激元极化子耦合的物理图像。相关结果发表在Small(DOI:10.1002/smll.202070001)上,并被遴选为《Small》“十五周年庆”特别期刊的正封面高亮论文。

由于金属表面等离激元的近场耦合作用,基于金属表面等离激元的纳米激光器得以在低于传统光学衍射极限的尺寸下实现光场的限制,这与等离激元的电磁场局域化效应有关。III族氮化物半导体作为一种高效光电功能材料,非常适用于制备可见-紫外LED和激光器器件。南京大学电子科学与工程学院刘斌、张荣教授团队基于高质量III族氮化物材料,设计了MOS共振腔结构的等离激元耦合纳米激光器,通过调控InGaN材料中的In组分含量可以得到涵盖可见光波段的激射,此外,通过改变AlGaN材料中的Al组分得到了最短280nm波长的深紫外光激射。该研究团队在电子束泵浦条件下获得了室温超低阈值的激射(8kWcm-2),并且首次观察到亚微米波长激光光源的干涉现象,从实验上验证了纳米激光器的时间-空间相干性,并阐明了偶极子与等离激元极化子耦合的物理图像。研究者相信,此项研究将会为微纳尺度下的光-电互连集成提供了技术路径。

本项目工作获得了国家科技部重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省科技计划等项目的支持和资助。