ZnO基电注入激子-微腔激光器研究

Exciton-polartion is a kind of hybrid state quasi-particle that origins from the coupling between the semiconductor exciton and the photon in the microcavity. The exciton-polariton is a typical Boson, it no only possess the photons characteristic but also have the exciton characteristic. In the contrast with the conventional laser diode, the exciton-polariton based laser device has ultralow lasing threshold. The intrinsic mechanism is that the exciton-polariton will occur the Bose-Einstein condensation spontaneously when it has high density under the pumping condition. In this process the exciton-polaritons have the same quantum state, it will produce the high bright, high coherence laser light when it coupling output. . In comparison with the GaAs, GaN materials, the ZnO has larger exciton binding energy (60meV) and oscillator strength. These feature make the ZnO more favorable for the electronically inject microcavity exciton-polariton laser at room temperature. In this project, the ZnO/MgZnO quantum well will be made use as the active layer, the p-type AlGaN DBR and n-type MgZnO DBR will inject the hole and electrons into the ZnO active layer. In this hybrid microcavity the exciton in the ZnO quantum well will couple with the photons strongly, so the electronically inject ultralow threshold exiton-polariton lasing will be realized at the room temperature.

激子极化激元是半导体中激子和微腔中的光子耦合以后形成的一种混合态准粒子，表现为即具有光子特性又具有激子特性的杂化态，是一种典型的玻色子。与传统的激光器相比，基于微腔激子极化激元的激光将具有极低的受激发射阈值，其内在的物理机制是：在外界泵浦下微腔中的高密度激子极化激元将会自发的发生玻色-爱因斯坦凝聚，导致激子极化激元将具有相同的量子态，当耦合输出时就形成了通常意义上的高亮度、高相干性激光。. 与GaAs、GaN材料相比，ZnO具有较大的激子束缚能（60 meV）和振子强度，更有利于实现室温下激子激元激光。本项目拟利用ZnO/MgZnO量子阱作为有源区，采用p型AlGaN分布式布拉格反射镜（DBR）与n型MgZnO DBR分别为ZnO有源区注入空穴和电子载流子，实现光学模式与ZnO量子阱中的激子产生高效的激子-光子强耦合，有望在室温下实现极低阈值电注入激子极化激元激光。

半导体微腔激光器中的激子-光子强耦合产生的自发相干一直是半导体光电子学的前沿研究热点，有望在超低阈值激光、量子计算机逻辑运算等领域获得广泛的应用。激子极化激元（exciton-polariton）是一种典型的准粒子，该准粒子具有光子和激子的双重特性，也是一种典型的玻色子。本项目主要研究内容有：利用MBE生长了背景电子浓度1014 cm-3本征ZnO,完成了不同组分的MgxZn1-xO/MgyZn1-yO量子阱制备，利用低温PL光谱研究不同阱宽的量子化子能级发光特性。利用缓存层技术降低GaN/ZnO晶格失配，避免了多层量子阱质量的劣化。利用ZnO微米线自形成的六边形光学微腔结构实现高效的光场限制作用。在该微腔结构中获得了低阈值的5光子吸收的上转换回音壁模式激光输出，分析了微腔中的回音壁模式对激发光的光学模场的限制。自主搭建了角分辨光谱仪系统，研究了强耦合条件下ZnO微米线微腔、垂直微腔器件中的exciton受激发射空间模式分布，以及激光发射模式特性、近场分布，分析微腔激光的阈值同光学谐振腔、工作温度的关系，成功实现室温条件下ZnO中的exciton-polariton的波色爱因斯坦凝聚(BEC)效应。圆满完成预定目标。在GaN/ZnO异质结构中实现单根微米线光学微腔电注入的激子-光子的高效耦合型，并获得高效的激子型紫外光输出。完成预定目标。项目共发表SCI学术论文10篇，其中一区论文6篇。申请专利2项。