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一文看懂GaN基紫光激光器的前世今生
材料來(lái)源:科學(xué)技術(shù)派          

國(guó)際上,自1995年日亞公司研制成功世界上第一只室溫脈沖激射的波長(zhǎng)為405nm GaN基紫光激光器以來(lái),眾多研究機(jī)構(gòu)投入巨資進(jìn)行GaN基激光器的研究。1999年1月,日亞公司宣布GaN基紫光激光器的商業(yè)化,波長(zhǎng)400nm,工作電流40mA,工作電壓5V,輸出功率5mW, 室溫連續(xù)工作壽命超過(guò)10000小時(shí)。1999年9月日亞公司首次報(bào)道了橫向外延GaN襯底上生長(zhǎng)的單量子阱藍(lán)光激光器,其激射波長(zhǎng)為450nm,閾值電流密度和電壓分別為4.6kA/cm2和6.1V,室溫下輸出5mW時(shí)壽命為200小時(shí)。2001年3月,日亞公司采用InGaN材料作為波導(dǎo)層,增強(qiáng)光學(xué)限制,同時(shí)改善有源區(qū)的晶體質(zhì)量,器件的閾值電流密度下降為3.3kA/cm2,閾值電壓降低到4.6V,50℃輸出5mW時(shí)器件壽命達(dá)到3000小時(shí)。

隨著外延、芯片和散熱封裝技術(shù)的不斷提升,激光器的輸出功率和壽命在不斷增加。2003年,sony 公司報(bào)道了單管GaN基激光器連續(xù)工作輸出功率高達(dá)0.94W。2012年sony公司通過(guò)激光器鎖模和光放大器,實(shí)現(xiàn)405nm、300W和1GHz重復(fù)頻率的脈沖激光。2013年,日亞公司報(bào)道了連續(xù)輸出3.75W的藍(lán)光激光器,激光器的閾值電流為225mW, 閾值電流密度小于1KA/cm2. 2013年歐司朗公司報(bào)道了最大輸出功率高達(dá)4W的藍(lán)光激光器。綠光激光器是激光顯示三基色光源之一,隨著激光顯示技術(shù)的發(fā)展和GaN基藍(lán)光激光器在激光顯示技術(shù)上的成功應(yīng)用,對(duì)GaN基綠光激光器的需求變得更加迫切,GaN基綠光激光器是目前氮化物器件研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

日亞、歐司朗等公司在研制成功藍(lán)光激光器之后,致力于GaN基綠光激光器的研究。由于綠光激光器制作難度大,國(guó)際上的相關(guān)研究直到2009年才取得突破。日本日亞公司和德國(guó)歐司朗公司率先實(shí)現(xiàn)綠光激光器的室溫連續(xù)激射。2009年1月,歐司朗公司率先實(shí)現(xiàn)了C面GaN襯底上激射波長(zhǎng)大于500nm的綠光激光器,閾值電流密度為6.2KA/cm2, 斜率效率為0.65W/A。2009年5月日亞公司報(bào)道了激射波長(zhǎng)為510-515nm的綠光激光器,閾值電流密度為4.4KA/cm2,閾值電壓為5.2V,25℃連續(xù)輸出5mW時(shí)激光器推測(cè)壽命超過(guò)5000小時(shí)。隨后歐司朗公司對(duì)其進(jìn)行持續(xù)改進(jìn),到2010年,實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)524nm,閾值電流97mA,斜率效率0.336W/A綠光激光器;2012年實(shí)現(xiàn)了519nm,輸出功率100mW,工作壽命10000小時(shí)的激光器,2013年實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)520nm,輸出功率達(dá)到250mW的激光器。

在半極性面和非極性面GaN基綠光激光器的研究方面,目前主要研究單位包括:加州大學(xué)圣巴巴拉分校(UCSB)、日本羅姆公司(Rohm)、住友電子(Sumitomoelectric)、美國(guó)索拉公司(Soraa)、索尼等機(jī)構(gòu)。2009年,Rohm公司率先報(bào)道了激射波長(zhǎng)大于500nm的非極性面GaN激光器,閾值電流密度為3.1kA/cm2, 連續(xù)輸出15mW時(shí)激射波長(zhǎng)為500.2nm. Sumitomo 公司后來(lái)居上,于2009年7月報(bào)道了激射波長(zhǎng)為531nm的綠光激光器,采用(20-21)面自支撐GaN襯底,閾值電流密度為15.4kA/cm2. 2010年7月,該公司實(shí)現(xiàn)了半極性面(20-21)面脈沖激射波長(zhǎng)533.6nm的激光器和連續(xù)激射波長(zhǎng)為523.3nm激光器。2012年6月,該公司在半極性面(20-21)面GaN襯底上實(shí)現(xiàn)了連續(xù)激射波長(zhǎng)為525nm、輸出功率50mW的長(zhǎng)壽命綠光激光器。2010年11月,Soraa公司報(bào)道了激射波長(zhǎng)為521nm的綠光激光器,連續(xù)工作輸出60mW時(shí),激光器電光轉(zhuǎn)換效率為1.9%。2018年索尼公司報(bào)道了(20-21)面上生長(zhǎng)的綠光激光器,在1.2A電流下達(dá)到接近1W的輸出功率。

在國(guó)內(nèi)方面,2004年中科院半導(dǎo)體所和北京大學(xué)率先研制出GaN基紫光激光器。2010年中科院半導(dǎo)體所采用自支撐GaN襯底,一進(jìn)步提升了激光器性能,實(shí)現(xiàn)閾值電流密度2.4kA/cm2, 閾值電壓6.8V,激射波長(zhǎng)413.7nm的GaN基紫光激光器。在2021年8月份,中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所趙德剛科研團(tuán)隊(duì)報(bào)道了大功率藍(lán)光激光器的研究進(jìn)展,實(shí)現(xiàn)室溫連續(xù)輸出功率高達(dá)6W的藍(lán)光激光器。2021年中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生所劉建平科研團(tuán)隊(duì)報(bào)道GaN藍(lán)光激光器研究進(jìn)展,實(shí)現(xiàn)室溫連續(xù)工作輸出光功率達(dá)到7.5W的藍(lán)光激光器。2021年廈門(mén)大學(xué)康俊勇、李金釵團(tuán)隊(duì)與三安光電聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目取得突破性成果,超8W大功率InGaN藍(lán)光激光器設(shè)計(jì)和制作已達(dá)到國(guó)際水準(zhǔn)。該成果發(fā)表在Optics and Laser Technology期刊上。在綠光激光器研制方面,中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生所在2014年率先研制出GaN綠光激光器,并在2021年報(bào)道最新的研究進(jìn)展,實(shí)現(xiàn)斜率效率0.8WA-1,輸出光功率達(dá)到1.7W的綠光激光器芯片。

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