GaN基激光器的研究进展
发布时间：2021-10-09 11:41
GaN材料作为第三代半导体材料具有十分独特的性能,其发光波段可以覆盖从红外到深紫外波段。GaN材料击穿电场强、发光效率高,使其在显示、照明、通信等领域具有非常广泛的应用。综述了GaN基激光器的发展历程及其失效和退化机制的研究进展。目前最新的蓝光GaN基激光器在3 A电流连续工作时的电压和输出功率为4.03 V和5.25 W;最新的绿光激光器波长为532 nm,在电流1.6 A时,输出功率为1.19 W。进一步阐述了GaN基激光器退化的主要表现,即随着工作时间的延长,激光器发光效率降低、光转化效率降低以及电压升高。总结了四种主要的退化模式,分别为封装退化、静电损伤、腔面退化和芯片失效。
【文章来源】：有色金属材料与工程. 2020,41(01)
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
InGaN多量子阱激光器结构[10]
1995年，Nichia公司利用双流金属有机化合物化学气相沉积方法，在蓝宝石的c面（0001）衬底上进行生长，如图1所示，其使用增益波导结构，得到了阈值电流为1.7 A，阈值电压为34 V，激射电流密度为4 kA/cm2，激射波长范围为410～417 nm的GaN基紫光激光器，使GaN基激光器得到了零的突破[10]。1996年，Nakamura等[11]改变波导结构为脊型，如图2所示，实现了激光器阈值电流下降为增益波导结构的一半，激射电压下降为24 V。1996年9月，其对p层的生长条件进行了优化，同时改变了掺杂条件和工艺，使阈值电压降为8 V，但其阈值电流密度高达9 kA/cm2，导致该激光器的寿命仅1 s[12]。1997年，Nakamura等[13]对有源区进行Si掺杂，获得了阈值电流密度为3.6 kA/cm2，阈值电压为5.5 V，输出功率为1.5 mW，寿命为27 h的激光器。由于衬底的位错密度对激光器的寿命影响较大，科学家开始改进生长条件来降低位错密度进而延长激光器的使用寿命。1996年10月，Nakamura等[14]通过调制掺杂应变层超晶格结构，得到阈值电流密度5 kA/cm2，阈值电压密度为6 V的激光器，其在室温下寿命超过10 000 h。1999年，Nakamura等[15]报道实现在50℃的环境温度下，5 mW恒定输出功率下的激光二极管寿命超过1 000 h。在这些高功率和高温操作条件下，估计寿命约为3 000 h。至此，GaN基激光器的制备技术逐渐成熟，科研人员开始研究如何进一步的提高激光器的效率和输出功率。2003年，Sony公司[16]和Nichia公司分别推出输出功率为0.94 W和10.00 W的GaN基紫光激光器。2012年，Sony公司利用锁模和光放大技术获得了300 W功率和1 GHz重复频率的蓝紫光脉冲激光，其发光波长为405 nm[17]。国内，中科院半导体所在2004年实现GaN基紫光激光器的首次室温脉冲激射[18]。2007年实现连续激射[19],2010年实现阈值电压为6.8 V，阈值电流密度为2.4 kA/cm2，激射波长为413.7 nm的GaN基紫光激光器[20]。2017年，北京中科院半导体所生长出尺寸为10μm×600μm脊型结构的GaN基紫光激光器，其室温条件下阈值电流密度和阈值电压分别为：1.5 kA/cm2和5.0 V，在电流密度为4.0 kA/cm2时，输出功率可达80 mW[21]。2018年9月，中科院半导体所报道室温直流注入下蓝紫激光二极管的受激发射波长和峰值光功率分别在413 nm和600 mW以上。此外，阈值电流密度和电压分别为1.46 kA/cm2和4.1 V。而且，在室温连续波工作下，寿命超过1 000 h[22]。
2019年3月，Nakatsu等[27]研制出蓝光激光器，在电流为3 A连续工作时，其电压和输出功率分别为4.03 V和5.25 W，光电转换效率为43.4%。相较于GaN基紫光激光器和GaN基蓝光激光器，绿光激光器在2008年由Nichia公司[28]进行首次报道，其阈值电流密度为3.3 kA/cm2，激射波长为488 nm。2009年，实现了输出功率5 mW下寿命达5 000 h，激射波长为510～515 nm的绿光激光器[29]。2013年实现输出功率1.01 W，激射波长为525 nm的大功率绿光激光器。2015年实现寿命可达25 000 h，激射波长为525 nm的绿光激光器。2017年12月，Sony公司[25]实现世界上首个530 nm，最大输出功率可达2 W的GaN基绿光激光器，在1.2 A条件下可实现输出功率1 W的连续工作。2019年3月，Nakatsu等[27]研制出532 nm绿光激光器，在电流为1.6 A时，其输出功率为1.19 W，光电转换效率为17.1%，此外，还报道成功制备出543 nm绿光激光器。国内，于2009年由中科院半导体所首次实现蓝光激光器脉冲激射，2012年中科院苏州纳米所实现蓝光激光器连续激射。2014年，中科院苏州纳米所实现绿光激光器首次注入式激射，如图4所示[30]。图4 绿激光在阈值电流以下和以上的EL光谱[30]
【参考文献】：
期刊论文
[1]Room-temperature continuous-wave operation of GaN-based blue-violet laser diodes with a lifetime longer than 1000h[J]. Feng Liang,Jing Yang,Degang Zhao,Zongshun Liu,Jianjun Zhu,Ping Chen,Desheng Jiang,Yongsheng Shi,Hai Wang,Lihong Duan,Liqun Zhang,Hui Yang. Journal of Semiconductors. 2019(02)
[2]Fabrication of room temperature continuous-wave operation GaN-based ultraviolet laser diodes[J]. Degang Zhao,Jing Yang,Zongshun Liu,Ping Chen,Jianjun Zhu,Desheng Jiang,Yongsheng Shi,Hai Wang,Lihong Duan,Liqun Zhang,Hui Yang. Journal of Semiconductors. 2017(05)
[3]GaN基半导体材料研究进展[J]. 郎佳红,顾彪,徐茵,秦福文. 激光与光电子学进展. 2003(03)
[4]GaN——第三代半导体的曙光[J]. 梁春广,张冀. 半导体学报. 1999(02)
本文编号：3426302
【文章来源】：有色金属材料与工程. 2020,41(01)
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
InGaN多量子阱激光器结构[10]
1995年，Nichia公司利用双流金属有机化合物化学气相沉积方法，在蓝宝石的c面（0001）衬底上进行生长，如图1所示，其使用增益波导结构，得到了阈值电流为1.7 A，阈值电压为34 V，激射电流密度为4 kA/cm2，激射波长范围为410～417 nm的GaN基紫光激光器，使GaN基激光器得到了零的突破[10]。1996年，Nakamura等[11]改变波导结构为脊型，如图2所示，实现了激光器阈值电流下降为增益波导结构的一半，激射电压下降为24 V。1996年9月，其对p层的生长条件进行了优化，同时改变了掺杂条件和工艺，使阈值电压降为8 V，但其阈值电流密度高达9 kA/cm2，导致该激光器的寿命仅1 s[12]。1997年，Nakamura等[13]对有源区进行Si掺杂，获得了阈值电流密度为3.6 kA/cm2，阈值电压为5.5 V，输出功率为1.5 mW，寿命为27 h的激光器。由于衬底的位错密度对激光器的寿命影响较大，科学家开始改进生长条件来降低位错密度进而延长激光器的使用寿命。1996年10月，Nakamura等[14]通过调制掺杂应变层超晶格结构，得到阈值电流密度5 kA/cm2，阈值电压密度为6 V的激光器，其在室温下寿命超过10 000 h。1999年，Nakamura等[15]报道实现在50℃的环境温度下，5 mW恒定输出功率下的激光二极管寿命超过1 000 h。在这些高功率和高温操作条件下，估计寿命约为3 000 h。至此，GaN基激光器的制备技术逐渐成熟，科研人员开始研究如何进一步的提高激光器的效率和输出功率。2003年，Sony公司[16]和Nichia公司分别推出输出功率为0.94 W和10.00 W的GaN基紫光激光器。2012年，Sony公司利用锁模和光放大技术获得了300 W功率和1 GHz重复频率的蓝紫光脉冲激光，其发光波长为405 nm[17]。国内，中科院半导体所在2004年实现GaN基紫光激光器的首次室温脉冲激射[18]。2007年实现连续激射[19],2010年实现阈值电压为6.8 V，阈值电流密度为2.4 kA/cm2，激射波长为413.7 nm的GaN基紫光激光器[20]。2017年，北京中科院半导体所生长出尺寸为10μm×600μm脊型结构的GaN基紫光激光器，其室温条件下阈值电流密度和阈值电压分别为：1.5 kA/cm2和5.0 V，在电流密度为4.0 kA/cm2时，输出功率可达80 mW[21]。2018年9月，中科院半导体所报道室温直流注入下蓝紫激光二极管的受激发射波长和峰值光功率分别在413 nm和600 mW以上。此外，阈值电流密度和电压分别为1.46 kA/cm2和4.1 V。而且，在室温连续波工作下，寿命超过1 000 h[22]。
2019年3月，Nakatsu等[27]研制出蓝光激光器，在电流为3 A连续工作时，其电压和输出功率分别为4.03 V和5.25 W，光电转换效率为43.4%。相较于GaN基紫光激光器和GaN基蓝光激光器，绿光激光器在2008年由Nichia公司[28]进行首次报道，其阈值电流密度为3.3 kA/cm2，激射波长为488 nm。2009年，实现了输出功率5 mW下寿命达5 000 h，激射波长为510～515 nm的绿光激光器[29]。2013年实现输出功率1.01 W，激射波长为525 nm的大功率绿光激光器。2015年实现寿命可达25 000 h，激射波长为525 nm的绿光激光器。2017年12月，Sony公司[25]实现世界上首个530 nm，最大输出功率可达2 W的GaN基绿光激光器，在1.2 A条件下可实现输出功率1 W的连续工作。2019年3月，Nakatsu等[27]研制出532 nm绿光激光器，在电流为1.6 A时，其输出功率为1.19 W，光电转换效率为17.1%，此外，还报道成功制备出543 nm绿光激光器。国内，于2009年由中科院半导体所首次实现蓝光激光器脉冲激射，2012年中科院苏州纳米所实现蓝光激光器连续激射。2014年，中科院苏州纳米所实现绿光激光器首次注入式激射，如图4所示[30]。图4 绿激光在阈值电流以下和以上的EL光谱[30]
【参考文献】：
期刊论文
[1]Room-temperature continuous-wave operation of GaN-based blue-violet laser diodes with a lifetime longer than 1000h[J]. Feng Liang,Jing Yang,Degang Zhao,Zongshun Liu,Jianjun Zhu,Ping Chen,Desheng Jiang,Yongsheng Shi,Hai Wang,Lihong Duan,Liqun Zhang,Hui Yang. Journal of Semiconductors. 2019(02)
[2]Fabrication of room temperature continuous-wave operation GaN-based ultraviolet laser diodes[J]. Degang Zhao,Jing Yang,Zongshun Liu,Ping Chen,Jianjun Zhu,Desheng Jiang,Yongsheng Shi,Hai Wang,Lihong Duan,Liqun Zhang,Hui Yang. Journal of Semiconductors. 2017(05)
[3]GaN基半导体材料研究进展[J]. 郎佳红,顾彪,徐茵,秦福文. 激光与光电子学进展. 2003(03)
[4]GaN——第三代半导体的曙光[J]. 梁春广,张冀. 半导体学报. 1999(02)
本文编号：3426302
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