高功率氮化鎵基藍(lán)光激光器在激光顯示、激光照明和材料加工等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景。通過優(yōu)化藍(lán)光激光器p-AlGaN限制層的生長溫度,抑制了量子阱熱退化,通過優(yōu)化量子阱結(jié)構(gòu),改善了載流子分布,研制出了高功率藍(lán)光激光器。利用變腔面反射率法獲得藍(lán)光激光器的內(nèi)部光學(xué)損耗為6.8 cm^-1,載流子注入效率為90%。在脈沖工作條件下,藍(lán)光激光器的閾值電流密度為1 kA/cm²,斜率效率為1.65 W/A,預(yù)計在6 kA/cm²電流密度下,輸出光功率能達(dá)到4 W;在連續(xù)工作條件下,激光器的閾值電流密度為1 kA/cm²,由于封裝散熱性能不佳,斜率效率下降為1 W/A,預(yù)計在6 kA/cm²的電流密度下,輸出光功率為2.2 W。 

【文章來源】：中國激光. 2020,47(07)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

氮化鎵基藍(lán)光激光器結(jié)構(gòu)圖

3 載流子分布均勻性的影響GaN材料的空穴有效質(zhì)量大、遷移率低,空穴難以注入到n側(cè)量子阱,由本課題以前的研究可知:當(dāng)藍(lán)光LED的MQW的量子壘厚度為13 nm時,注入的空穴只分布在最靠近p-GaN的量子阱中,降低量子壘厚度和高度,空穴的注入不均勻性得到了改善[16-17]。對于激光器而言,量子阱增益區(qū)需要均勻的載流子注入才能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn),進(jìn)而形成光增益,因此優(yōu)化設(shè)計量子阱結(jié)構(gòu)對于改善載流子分布至關(guān)重要。本課題組制作了兩種不同壘厚的藍(lán)光激光器,輸出光功率-電流(P-I)曲線如圖3所示,薄壘的藍(lán)光激光器的閾值電流密度為1 kA/cm2,斜率效率為1.5 W/A,而厚壘的藍(lán)光激光器的閾值電流密度為1.4 kA/cm2,斜率效率比薄壘的藍(lán)光激光器低,僅為0.8 W/A。這是因為薄壘的藍(lán)光激光器量子阱內(nèi)的空穴分布更均勻,且具有更高的載流子注入效率,因此其斜率效率相對于厚壘的激光器更高。

本課題組也制備和封裝了脊形寬度為45 μm、腔長為1200 μm的藍(lán)光激光器,室溫下用脈沖條件測量激光器特性,脈沖寬度為0.4 μs,頻率為10 kHz,以減少熱效應(yīng)。圖5(a)中的圓點(diǎn)為不同電流下測量的光功率,所用脈沖電流源的最大輸出電流為2 A,但只測量到1.7 A。得到激光器的閾值電流密度為1 kA/cm2,斜率效率為1.65 W/A,對應(yīng)擬合線為將光功率數(shù)據(jù)外推到3 A(6 kA/cm2電流密度下),預(yù)計3 A下的輸出光功率能達(dá)到4 W。圖5(a)中的黑色方塊為在直流工作條件下測量的光功率,可以看到激光器閾值電流保持不變,但斜率效率明顯下降,為1 W/A,在3 A(6 kA/cm2電流密度)下,輸出光功率為2.2 W,斜率效率的下降是因為封裝的散熱性能不佳所致。激光器散熱不佳、結(jié)溫升高對P-I曲線的影響有兩方面:一是功率熱飽和;二是結(jié)溫升高導(dǎo)致kink出現(xiàn)。本文激光器的P-I曲線更符合后者。激光器的電流-電壓(I-V)曲線如圖5(a)最上方擬合線所示,在6 kA/cm2電流密度下的工作電壓為5.3 V。激射光譜如圖5(b)所示,激射波長為445 nm。5 結(jié) 論


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