中南大学机电工程学院汪炼成教授课题组在基于超宽禁带半导体氮化铝（AlN）材料的紫外光学和器件方面取得了进展成果。他们对紫外光学的聚焦、全息成像、多点光场调控以及紫外器件有进行了仿真设计和实验。合作单位为中国科学院半导体研究所半导体照明中心，工作得到国家重点研发计划战略性先进电子重点专项、湖湘高层次青年创新人才、中南大学创新驱动计划和高性能复杂制造国家重点实验室自主课题等项目的支持。

在紫外聚焦与光场调控方面，课题组采用FDTD光学仿真软件，对AlN纳米柱进行了结构参数优化，达到了相对较高的圆偏振光转化效率，配合非对称结构的偏振改变效果和衍射相位聚焦公式设计了紫外超透镜，实现了不同紫外光波长在轴在平面、离轴在平面和离平面情况下接近衍射极限的聚焦，对于紫外光375nm，以上三种情况的聚焦效率分别达到了 47.09%、45.82%和44.96%，同时在聚焦的基础上，对纳米柱的排布和个数进行一定的优化，设计出紫外路由器，实现了多波长紫外光调控和单波长多点聚焦、线聚焦等功能。多波长的光场调控效率在不同聚焦象限达到了18.6% (1象限，308nm）、 12.4%（2象限，244nm）、 18.0% （3象限，308nm）和7.17%（4象限，375nm）.相关成果分别以Design of aluminum nitride metalens in the ultraviolet spectrum和Design of aluminum nitride metalens for broadband ultraviolet incidence routing为题发表于Journal of Nanophotonics（Oct–Dec 2018 • Vol. 12(4).DOI:10.1117/1.JNP.12.043513])和Nanophotonics (Nanophotonics2019;8(1):171-180.DOI:10.1515/ nanoph-2018-0151 )。

在紫外全息成像方面，课题组在仿真上使用了AlN圆柱体超表面，通过改变圆柱体的半径对紫外光的相位进行调控，实现了2pi范围内8重离散的相位调控目的。配合计算机全息图算法对所需得到的图像进行计算机设计，设计出单平面和多平面的紫外全息图。对于单平面的全息图效率达到了34.05%，而对于多平面的紫外全息图，最终三个成像平面的相关系数超过了0.8。相关成果以Design of AlN ultraviolet metasurface for single-/multi-plane holography为题发表在Applied optics（Vol. 59, No. 14 / 10 May 2020. DOI:10.1364/AO.392799)上。这些成果对于紫外光学存储和紫外光可技术等方向都有潜在应用，而在AlN材料紫外光学实验进展中,课题组采用磁控溅射、激光直写、ICP刻蚀等传统半导体制造手艺和波带板设计理论制造出了针对375nm的聚焦超表面和光场调控超表面。其中对于375聚焦超表面，在轴和离轴的聚焦效率分别达到了33.3%和12.7%，而光场调控超表面成功实现了对于单波长光的不同平面不同位置的光场聚焦调控，其效率达到了16.7%。相关成果以Ultrawide bandgap AlN metasurfaces for ultraviolet focusing and routing为题发表在optics letters（Vol. 45, No. 12 / 15 June 2020. DOI:10.1364/OL.395909）。该成果对于紫外光学器件的集成化和微小化具有较大意义。

在紫外光电器件方面，课题组采用MOCVD在蓝宝石上外延生长AlN,再采用ICP刻蚀、磁控溅射和光刻等工艺制造了背入射3DMSM和不同刻蚀深度的正入射3DMSM器件，相比于未刻蚀的MSM器件，光电流分别增大了78%（背入射），52%（刻1微米)，48%(刻0.5微米)。在2V偏压下200nm光波长处MSM、3D-MSM、FC-3DMSM相应度分别为0.0065A/W、0.008A/W、0.0096A/W。同时课题组对器件的响应时间和迟豫时间进行了仿真上的计算，结果3D-MSM器件相比MSM 器件响应时间上升了18.4%，迟豫时间减小了48％。相关成果“Three-dimensional metal-semiconductor-metal AlN deep-ultraviolet detector”为题发表于Optics Letters上（Vol. 45, No. 12 / 15 June 2020. DOI:10.1364/OL.394338）。

图1. 紫外线聚焦和路由实验。(a、d、g)分别为在轴聚焦、离轴聚焦和路由的光学显微镜图像，比例尺:60μm、80μm和90μm；(b,e)三维在轴聚焦和离轴聚焦实验所设计焦平面上的归一化光强分布；(c)和(f)沿焦点的相应光强分布；(h)实验设计焦平面I上的归一化光强分布。(i)焦平面II上的对应结果。

图2. (a)在UV-375 nm波长下左圆偏振光入射的面内轴上聚焦结构，由一个具有不同角度旋转的AlN纳米棒阵列组成；(b)超透镜的俯视图；(f)和(g) 聚焦在x-z和x-y截面上的归一化RCP光强分布。(c)多点聚焦的归一化RCP光强分布； (h)线聚焦的归一化RCP光强分布；(d, e, i, j)不同线性偏振光(0°、45°、90°)下，FDTD方法模拟的归一化强度分布。每个图右上角标记了偏振角，并隐藏了零级衍射点。

图3. (a) MSM、(b) 3D-MSM和(c) FC-3DMSM器件的工作配置、载流子迁移路径和电场强度分布；(d)模拟光脉冲响应和(e) MSM和3D-MSM器件上升时间和弛豫时间的比较。