脉冲模式下输出功率超15 W的氮化镓蓝光激光器

  氮化镓（GaN）蓝光激光二极管（LD）在高密度数据存储、激光显示、照明与量子技术等领域具有重要应用。但目前，其输出功率与GaAs基LD仍有差距，进一步提升功率密度与可靠性对于降低成本至关重要。在GaN材料体系中，外延晶体质量是决定LD性能的关键因素，晶体中的位错和非辐射复合中心会严重影响器件的效率和可靠性。此外，高功率LD面临的另一个挑战是腔面处的灾变性光学损伤（COD），腔面介质膜材料与GaN晶面之间的界面质量是影响COD阈值的关键因素。

  近日，清华大学罗毅院士课题组与安徽格恩半导体有限公司合作，通过深入研究GaN同质外延过程中的位错控制、InGan/GaN多量子阱的应力调控以及腔面镀膜技术，制备了高效的GaN蓝光激光二极管。他们在该工作中利用了氢化物气相外延（HVPE），结合多次掩膜技术和3D-2D交替生长技术，将GaN衬底的位错密度降低了60%。通过集成InGaN/GaN超晶格（SL）波导结构，进一步减轻了量子阱有源区的应力，使光致发光（PL）强度提升了约60%。

  此外，该团队还采用电子回旋共振（ECR）技术提升了腔面镀膜质量，显著降低了高反（HR）和抗反（AR）膜表面的粗糙度，改善了大电流注入下的COD问题。最终，该研究实现了波长447 nm的脉冲激光发射，最大输出功率达到15 W，电光转化效率（WPE）为38%。这些成果为研制国产高性能GaN激光器、探索GaN大功率激光器的新应用奠定了坚实基础。该文章以题为“Gallium nitride blue laser diodes with pulsed current operation exceeding 15W in optical output power”发表在Journal of Semiconductors上。

图1. GaN单晶生长路径示意图。

图2. （a）LD的功率-电流-电压（PIV）以及WPE特性；（b）LD的光谱，插图是GaN激光器在发光时的图像。

来源：中国科学院半导体研究所“半导体学报”微信公众号