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氮化镓基激光器国内外研究现状_氮化镓光学特性

ninehua 2025-02-17 13:25 17 浏览



国际上,自1995年日亚公司研制成功世界上第一只室温脉冲激射的波长为405nm GaN基紫光激光器以来[1],众多研究机构投入巨资进行GaN基激光器的研究。1999年1月,日亚公司宣布GaN基紫光激光器的商业化,波长400nm,工作电流40mA,工作电压5V,输出功率5mW, 室温连续工作寿命超过10000小时[2]。1999年9月日亚公司首次报道了横向外延GaN衬底上生长的单量子阱蓝光激光器,其激射波长为450nm,阈值电流密度和电压分别为4.6kA/cm2和6.1V,室温下输出5mW时寿命为200小时[3,4]。2001年3月,日亚公司采用InGaN材料作为波导层,增强光学限制,同时改善有源区的晶体质量,器件的阈值电流密度下降为3.3kA/cm2,阈值电压降低到4.6V,50℃输出5mW时器件寿命达到3000小时[5]。随着外延、芯片和散热封装技术的不断提升,激光器的输出功率和寿命在不断增加。2003年,sony 公司报道了单管GaN基激光器连续工作输出功率高达0.94W。2012年sony公司通过激光器锁模和光放大器,实现405nm、300W和1GHz重复频率的脉冲激光。2013年,日亚公司报道了连续输出3.75W的蓝光激光器,激光器的阈值电流为225mW, 阈值电流密度小于1KA/cm2. 2013年欧司朗公司报道了最大输出功率高达4W的蓝光激光器。绿光激光器是激光显示三基色光源之一,随着激光显示技术的发展和GaN基蓝光激光器在激光显示技术上的成功应用,对GaN基绿光激光器的需求变得更加迫切,GaN基绿光激光器是目前氮化物器件研究领域的热点[6-10]。日亚、欧司朗等公司在研制成功蓝光激光器之后,致力于GaN基绿光激光器的研究。由于绿光激光器制作难度大,国际上的相关研究直到2009年才取得突破[11-16]。日本日亚公司和德国欧司朗公司率先实现绿光激光器的室温连续激射。2009年1月,欧司朗公司率先实现了C面GaN衬底上激射波长大于500nm的绿光激光器,阈值电流密度为6.2KA/cm2, 斜率效率为0.65W/A。2009年5月日亚公司报道了激射波长为510-515nm的绿光激光器,阈值电流密度为4.4KA/cm2,阈值电压为5.2V,25℃连续输出5mW时激光器推测寿命超过5000小时。随后欧司朗公司对其进行持续改进,到2010年,实现波长524nm,阈值电流97mA,斜率效率0.336W/A绿光激光器;2012年实现了519nm,输出功率100mW,工作寿命10000小时的激光器,2013年实现了波长520nm,输出功率达到250mW的激光器。在半极性面和非极性面GaN基绿光激光器的研究方面,目前主要研究单位包括:加州大学圣巴巴拉分校(UCSB)、日本罗姆公司(Rohm)、住友电子(Sumitomoelectric)、美国索拉公司(Soraa)、索尼等机构。2009年,Rohm公司率先报道了激射波长大于500nm的非极性面GaN激光器,阈值电流密度为3.1kA/cm2, 连续输出15mW时激射波长为500.2nm. Sumitomo 公司后来居上,于2009年7月报道了激射波长为531nm的绿光激光器,采用(20-21)面自支撑GaN衬底,阈值电流密度为15.4kA/cm2. 2010年7月,该公司实现了半极性面(20-21)面脉冲激射波长533.6nm的激光器和连续激射波长为523.3nm激光器。2012年6月,该公司在半极性面(20-21)面GaN衬底上实现了连续激射波长为525nm、输出功率50mW的长寿命绿光激光器。2010年11月,Soraa公司报道了激射波长为521nm的绿光激光器,连续工作输出60mW时,激光器电光转换效率为1.9%。2018年索尼公司报道了(20-21)面上生长的绿光激光器,在1.2A电流下达到接近1W的输出功率。

在国内方面,2004年中科院半导体所和北京大学率先研制出GaN基紫光激光器。2010年中科院半导体所采用自支撑GaN衬底,一进步提升了激光器性能,实现阈值电流密度2.4kA/cm2, 阈值电压6.8V,激射波长413.7nm的GaN基紫光激光器。在2021年8月份,中国科学院半导体所赵德刚科研团队报道了大功率蓝光激光器的研究进展,实现室温连续输出功率高达6W的蓝光激光器。2021年中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生所刘建平科研团队报道GaN蓝光激光器研究进展,实现室温连续工作输出光功率达到7.5W的蓝光激光器。2021年厦门大学康俊勇、李金钗团队与三安光电联合技术攻关项目取得突破性成果,超8W大功率InGaN蓝光激光器设计和制作已达到国际水准。该成果发表在Optics and Laser Technology期刊上。在绿光激光器研制方面,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生所在2014年率先研制出GaN绿光激光器[17-20],并在2021年报道最新的研究进展,实现斜率效率0.8WA-1,输出光功率达到1.7W的绿光激光器芯片。

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