苏州纳米所刷新超低阈值二维激光器室温性能纪录

近日，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所创新实验室依托纳米真空互联实验站（Nano-X）与高端微纳加工公共平台，在二维半导体激光器精密制备与性能优化领域取得重大突破。团队自研转角光子晶体纳米腔精密构型工艺，成功实现室温超低阈值激射，以0.03 W/cm²的数值刷新全 球二维半导体激光器室温阈值纪录，为高端片上激光设备、超低功耗光电精密器件的量产制备提供了全新技术方案与工艺支撑。

半导体激光器是光电精密仪器、片上集成光路的核心核心元器件，其性能迭代高度依赖微纳制备精度与光学腔体调试水平。传统激光器件研发长期受限于设备与工艺短板，一方面常规微纳加工设备难以同步实现超小模式体积与超高光学品质因子的腔体制备，精度匹配度不足；另一方面，传统大气环境制备、分段式加工设备体系，易导致二维材料与光学微腔界面产生缺陷与介电屏蔽效应，后续光学调试设备难以彻底修正发光损耗问题，成为超低功耗微型激光仪器产业化的核心设备工艺瓶颈。

针对行业共性的精密制备与器件调试难题，苏州纳米所团队依托国 家级高端科研硬件平台，突破传统工艺局限，创新研发转角光子晶体纳米腔制备技术。本次突破性成果的落地，核心依托苏州纳米所纳米真空互联实验站（Nano-X）与大型纳米加工平台两大核心硬件体系。作为全 球规模领先的真空互联综合装置，Nano-X通过超高真空管道互联多套精密设备，实现样品从材料生长、微纳结构刻蚀到器件表征的全流程真空闭环制备，彻底规避大气环境带来的材料界面污染、氧化缺陷问题，从硬件层面解决了非辐射复合的行业痛点。配套的开放式纳米加工平台搭载高精度微纳刻蚀、薄膜沉积设备，为纳米腔梯度结构的精准制备提供了核心工艺支撑。

在精密制备工艺与设备适配层面，新型转角光子晶体纳米腔对微纳加工、光电测试设备提出了极高精度要求。团队通过高精度角度调控工艺，在单层氮化硅薄膜上完成双六方光子晶体的可控扭转，依托精密微纳加工设备实现晶胞空气填充率径向准连续梯度渐变，构筑出嵌套式同心圆光学反射结构。该精密构型设计可将光场高度局域于中心空气区域，形成高性能空气模式，搭配高精度光电测试与腔体校准设备，精准优化光场与二硫化钨材料的空间重叠效率，最大程度释放材料发光性能。

经精密测试验证，该工艺制备的纳米腔实现0.36 (λ/n)³的超小模式体积与十万量级的超高仿真品质因子，完美兼顾微型化与高光学性能两大核心指标。在室温连续光泵浦工况下，器件激射阈值低至0.03 W/cm²，大幅降低了微型激光器件的工作功耗，且器件工作状态稳定，适配工业化量产的工况要求。

此次工艺与设备协同创新，不仅突破了二维激光器件的性能极限，更填补了高端超低阈值微型激光器精密制备工艺的空白，具备重要的产业赋能价值。该技术可直接适配新一代片上激光设备、微型光电传感仪器、低功耗光通信器件的研发与生产，有效降低高端光电精密仪器的功耗与体积，提升国产微型光电器件的核心竞争力。同时，本次真空互联一体化制备工艺的成功验证，也为微纳光电器件的高精度、低缺陷量产提供了成熟的设备应用方案。