發(fā)布時間：2021-10-09 11:41

　　GaN材料作為第三代半導(dǎo)體材料具有十分獨特的性能,其發(fā)光波段可以覆蓋從紅外到深紫外波段。GaN材料擊穿電場強、發(fā)光效率高,使其在顯示、照明、通信等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用。綜述了GaN基激光器的發(fā)展歷程及其失效和退化機制的研究進(jìn)展。目前最新的藍(lán)光GaN基激光器在3 A電流連續(xù)工作時的電壓和輸出功率為4.03 V和5.25 W;最新的綠光激光器波長為532 nm,在電流1.6 A時,輸出功率為1.19 W。進(jìn)一步闡述了GaN基激光器退化的主要表現(xiàn),即隨著工作時間的延長,激光器發(fā)光效率降低、光轉(zhuǎn)化效率降低以及電壓升高�？偨Y(jié)了四種主要的退化模式,分別為封裝退化、靜電損傷、腔面退化和芯片失效。 

【文章來源】：有色金屬材料與工程. 2020,41(01)

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

InGaN多量子阱激光器結(jié)構(gòu)[10]

1995年，Nichia公司利用雙流金屬有機化合物化學(xué)氣相沉積方法，在藍(lán)寶石的c面（0001）襯底上進(jìn)行生長，如圖1所示，其使用增益波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，得到了閾值電流為1.7 A，閾值電壓為34 V，激射電流密度為4 kA/cm2，激射波長范圍為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]改變波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為脊型，如圖2所示，實現(xiàn)了激光器閾值電流下降為增益波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的一半，激射電壓下降為24 V。1996年9月，其對p層的生長條件進(jìn)行了優(yōu)化，同時改變了摻雜條件和工藝，使閾值電壓降為8 V，但其閾值電流密度高達(dá)9 kA/cm2，導(dǎo)致該激光器的壽命僅1 s[12]。1997年，Nakamura等[13]對有源區(qū)進(jìn)行Si摻雜，獲得了閾值電流密度為3.6 kA/cm2，閾值電壓為5.5 V，輸出功率為1.5 mW，壽命為27 h的激光器。由于襯底的位錯密度對激光器的壽命影響較大，科學(xué)家開始改進(jìn)生長條件來降低位錯密度進(jìn)而延長激光器的使用壽命。1996年10月，Nakamura等[14]通過調(diào)制摻雜應(yīng)變層超晶格結(jié)構(gòu)，得到閾值電流密度5 kA/cm2，閾值電壓密度為6 V的激光器，其在室溫下壽命超過10 000 h。1999年，Nakamura等[15]報道實現(xiàn)在50℃的環(huán)境溫度下，5 mW恒定輸出功率下的激光二極管壽命超過1 000 h。在這些高功率和高溫操作條件下，估計壽命約為3 000 h。至此，GaN基激光器的制備技術(shù)逐漸成熟，科研人員開始研究如何進(jìn)一步的提高激光器的效率和輸出功率。2003年，Sony公司[16]和Nichia公司分別推出輸出功率為0.94 W和10.00 W的GaN基紫光激光器。2012年，Sony公司利用鎖模和光放大技術(shù)獲得了300 W功率和1 GHz重復(fù)頻率的藍(lán)紫光脈沖激光，其發(fā)光波長為405 nm[17]。國內(nèi)，中科院半導(dǎo)體所在2004年實現(xiàn)GaN基紫光激光器的首次室溫脈沖激射[18]。2007年實現(xiàn)連續(xù)激射[19],2010年實現(xiàn)閾值電壓為6.8 V，閾值電流密度為2.4 kA/cm2，激射波長為413.7 nm的GaN基紫光激光器[20]。2017年，北京中科院半導(dǎo)體所生長出尺寸為10μm×600μm脊型結(jié)構(gòu)的GaN基紫光激光器，其室溫條件下閾值電流密度和閾值電壓分別為：1.5 kA/cm2和5.0 V，在電流密度為4.0 kA/cm2時，輸出功率可達(dá)80 mW[21]。2018年9月，中科院半導(dǎo)體所報道室溫直流注入下藍(lán)紫激光二極管的受激發(fā)射波長和峰值光功率分別在413 nm和600 mW以上。此外，閾值電流密度和電壓分別為1.46 kA/cm2和4.1 V。而且，在室溫連續(xù)波工作下，壽命超過1 000 h[22]。

2019年3月，Nakatsu等[27]研制出藍(lán)光激光器，在電流為3 A連續(xù)工作時，其電壓和輸出功率分別為4.03 V和5.25 W，光電轉(zhuǎn)換效率為43.4%。相較于GaN基紫光激光器和GaN基藍(lán)光激光器，綠光激光器在2008年由Nichia公司[28]進(jìn)行首次報道，其閾值電流密度為3.3 kA/cm2，激射波長為488 nm。2009年，實現(xiàn)了輸出功率5 mW下壽命達(dá)5 000 h，激射波長為510～515 nm的綠光激光器[29]。2013年實現(xiàn)輸出功率1.01 W，激射波長為525 nm的大功率綠光激光器。2015年實現(xiàn)壽命可達(dá)25 000 h，激射波長為525 nm的綠光激光器。2017年12月，Sony公司[25]實現(xiàn)世界上首個530 nm，最大輸出功率可達(dá)2 W的GaN基綠光激光器，在1.2 A條件下可實現(xiàn)輸出功率1 W的連續(xù)工作。2019年3月，Nakatsu等[27]研制出532 nm綠光激光器，在電流為1.6 A時，其輸出功率為1.19 W，光電轉(zhuǎn)換效率為17.1%，此外，還報道成功制備出543 nm綠光激光器。國內(nèi)，于2009年由中科院半導(dǎo)體所首次實現(xiàn)藍(lán)光激光器脈沖激射，2012年中科院蘇州納米所實現(xiàn)藍(lán)光激光器連續(xù)激射。2014年，中科院蘇州納米所實現(xiàn)綠光激光器首次注入式激射，如圖4所示[30]。圖4 綠激光在閾值電流以下和以上的EL光譜[30]

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[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基半導(dǎo)體材料研究進(jìn)展[J]. 郎佳紅,顧彪,徐茵,秦福文.  激光與光電子學(xué)進(jìn)展. 2003(03)
[4]GaN——第三代半導(dǎo)體的曙光[J]. 梁春廣,張冀.  半導(dǎo)體學(xué)報. 1999(02)



本文編號：3426302