GaN基绿光激光二极管发展现状及趋势

由于氮化镓(GaN)基半导体材料在外延生长技术、外延结构设计方面取得了显著的成果,GaN基绿光激光二极管已广泛应用在激光显示、光纤维通讯、生物医疗器件和光数据存储等领域。综述了绿光激光二极管的发展历程及研究现状;重点详述了导致GaN基绿光激光二极管输出功率低、光束质量差及可靠性差等问题的关键因素及解决方法;探讨了绿光波段量子阱的高In组分导致GaN基激光二极管光电性能骤降方面的问题;总结了制备高性能GaN基绿光激光二极管所面临的挑战仍是外延材料质量差、载流子泄漏严重和强极化效应引起的激射效率低等难题。同时,展望了GaN基绿光激光二极管向智能化和模块化方向发展的趋势以及研究重点。

n波导层铟组分对GaN基绿光激光二极管光电性能的影响

高功率GaN基激光二极管外延结构理论仿真对提高GaN基激光二极管的光电性能具有重要的指导意义。设计了一种n侧双波导结构的绿光激光二极管外延结构,讨论了激光器外延结构中n-In_(x)Ga_(1-x)N波导层中铟组分对其光电性能的影响,揭示了n-In_(x)Ga_(1-x)N波导层对激光二极管光电性能的影响机制。通过调控n-In_(x)Ga_(1-x)N波导层中铟组分,调控外延层中的光场分布,使光场发生了偏移。结果表明,当n侧In_(x)Ga_(1-x)N波导层中铟组分最佳值为0.07时,将光子损耗降低了0.2 cm^(-1),阈值电流由193.49 mA降低到115.98 mA,此外,器件的光子损耗最少,阈值电流最小,工作电压最低,从而提高了激光二极管的输出功率和电光转换效率。因此,当绿光激光二极管的注入电流密度为6 kA/cm^(2)时,功率输出达234.95 mW。n侧双波导结构设计为制备高功率绿光激光二极管提供了理论指导和数据支撑。

电子阻挡层Al组分对GaN基蓝光激光二极管光电性能的影响

采用SiLENSe(Simulator of light emitters based on nitride semiconductors)软件仿真研究了Al_(x)In_(y)Ga_(1-x-y)N电子阻挡层(EBL)Al组分渐变方式对GaN基激光二极管(LD)光电性能的影响,实现了提高输出功率和电光转换效率的目的。文中提出的四种Al组分渐变方式分别是传统均匀组分、右阶梯渐变组分(0~0.07~0.16)、三角形渐变组分(0~0.16~0)、左阶梯渐变组分(0.16~0.07~0)。结果表明,与传统均匀组分EBL结构相比,Al组分阶梯渐变Al_(x)In_(y)Ga_(1-x-y)N EBL LD导带底的电子势垒显著提高,价带顶的空穴势垒降低。这主要是由于该结构能有效抑制电子泄漏和提高空穴注入效率,从而提高有源区载流子浓度,进而提高有源区辐射复合效率。当注入电流为0.48 A时,采用Al组分阶梯渐变Al_(x)In_(y)Ga_(1-x-y)N EBL结构能将器件开启电压从5.1 V降至4.9 V,光学损耗从3.4 cm^(-1)降至3.29 cm^(-1),从而使光输出功率从335 mW提高至352 mW,电光转换效率从12.5%提高至13.4%。此外,讨论了Al组分阶梯渐变EBL结构对GaN基蓝光LD光电性能的影响机制。该结构设计将为外延生长高功率GaN基LD提供实验数据和理论支撑。

组分阶梯InGaN势垒对绿光激光二极管光电性能的影响

为探究不同铟(In)组分In_(x)Ga_(1-x)N势垒对绿光激光二极管光电性能的影响,本文采用SiLENSe(simulator of light emitters based on nitride semiconductors)仿真软件对一系列具有不同In组分In_(x)Ga_(1-x)N势垒的激光二极管进行研究,结果发现In_(x)Ga_(1-x)N势垒中In组分最佳值为3%,此时结构的斜率效率最高,内部光学损耗最低,光学限制因子最大,性能最优。在具有In_(0.03)Ga_(0.97_N势垒的多量子阱结构基础上,设计了一种组分阶梯(composition step-graded,CSG)InGaN势垒多量子阱结构,提高了激光二极管的斜率效率和电光转换效率,增加了光场限制能力。仿真结果表明,当注入电流为120 mA时,具有CSG InGaN势垒的多量子阱结构,电光转换效率从17.7%提高至19.9%,斜率效率从1.09 mW/mA增加到1.14 mW/mA,光学限制因子从1.58%增加到1.62%。本文的研究为制备高功率GaN基绿光激光二极管提供了理论指导和数据支撑。

纳米柱高度对GaN基绿光LED光致发光谱的影响

纳米柱结构是释放高In组分InGaN/GaN绿光LED量子阱层应变的有效方法。本文采用自组装的聚苯乙烯微球掩模、感应耦合等离子体干法刻蚀和KOH溶液的湿法腐蚀,在GaN基绿光LED外延片上制备了3种高度的纳米柱结构,通过扫描电子显微镜观察纳米柱结构的形貌,并测试了常温和10 K低温时的光致发光谱(PL)。结果表明:应变释放对压电场的影响显著,使得纳米柱结构样品的内量子效率(IQE)提高,PL谱峰值波长蓝移;应变在量子阱中的不均匀分布还使得PL谱半高全宽(FWHM)展宽。与普通平面结构相比,高度为747 nm的纳米柱结构可使得IQE提升917%,PL谱峰值波长蓝移18 nm、FWHM展宽7 nm。另外,纳米柱结构样品的有源区有效面积减小可使得PL谱FWHM减小。

用微结构压印提高GaN基发光二极管的输出光强

为了进一步提高GaN基发光二极管(LED)的出光效率,针对倒装焊GaN基发光二极管提出了一个在蓝宝石衬底出光面上引入二维微纳米阵列结构的新构想.根据这一构想,将微结构图形化压印和发光器件的封装有机地结合起来,利用一种简易可行的纳米压印-热硬化性聚合物压印技术,成功地制备出了带有微米级阵列超薄封装结构的LED.结果表明,这种带有微结构阵列LED的输出光强得到了明显增强,1mm×1mm大管芯GaN LED在350mA的直流电注入下的光功率比无微结构的LED提高了60%.这一成功为提高发光二极管的出光强度提供了一个有效的新途径.

向商用市场阔步迈进的GaN紫色和蓝色激光二极管器件

近几年来，随着GaN紫光和蓝光激光二极管制作和生产技术取得的快速进展和投入批量生产，这种短波长半导体激光二极管光源对高密度、大容量的光信息存储应用所起的重要作用及其市场前景已引起了世界各国的密切关注。

GaN基垂直腔面发射激光器的研究进展

GaN基垂直腔面发射激光器(VCSEL)是一种具有垂直出光结构的新型半导体激光器,其发光波长可覆盖整个可见光波段.与边发射激光器相比,VCSEL具有单纵模工作、低阈值电流、圆形对称光斑、与光纤耦合效率高以及可以制备高密度二维阵列等优点,因此被认为是下一代半导体照明、微投影、全色显示、可见光通信等应用领域的理想光源.GaN基VCSEL发展至今已经取得长足的进展,距离实现产业化应用也越来越近.本文对照目前已经发展成熟的GaAs基VCSEL的发展状况,综述了GaN基VCSEL的应用领域、发展现状、技术路线,并着重介绍了绿光GaN基VCSEL所取得的一系列进展,最后简述了GaN基VCSEL所面临的技术挑战.

半导体激光端泵腔内倍频Nd:YVO_4/LBO连续波8W绿光激光器(英文)

利用两个半导体激光二极管 ,双端泵浦Nd∶YVO4 晶体 ,LBO采用I类非临界相位匹配、腔内倍频 在 2 8.9W的泵浦功率下 ,获得了 8W连续波 0 .5 32 μm绿光输出 ,其光—光转换效率为 2 7.7%

二极管多点泵浦绿光激光器

通过适当方法将二极管泵浦光分成多束泵浦光，使得激光谐振腔形成折叠的多条路径震荡，在其中一条路径插入倍频晶体，即形成多点泵浦绿光激光器。本文给出了腔长设计公式。采用20W激光二极管进行泵浦，得到了2．5W近基模的绿光输出。

德国瑞士合作开发绿光激光二极管

8个来自德国和瑞士的科研团队组成一个联合小组．来开发氮基绿光激光二极管。该项目被命名为PolarCoN工程，目前已经从德国研究基金会和瑞士国家科学基金会获得首批200万欧元的资助，该项目1期将运行至2011年。

表面粗化提高GaN基发光二极管光提取效率的研究

通过对GaN基发光二极管的表面进行粗化,可以改变出射光的方向,使那些满足全反射光改变方向后折射出来,从而提高了发光二极管的出光效率。实验结果表明,粗化芯片在20mA注入电流下,粗化芯片的光提取效率提高了23%,由于接触面积的增加,正向电压降低了0.11V。

MOVPE生长的GaN基蓝色与绿色LED

报道用自行研制的LP-MOVPE设备， 在蓝宝石（α-Al2O3）衬底上生长出以InGaN为有源区的蓝光和绿光InGaN/AlGaN双异质结结构以及InGaN/GaN量子阱结构的LED， 其发射波长分别为430～450nm和520～540nm。

表面粗化提高GaN基LED光提取效率的模拟

影响GaN基LED的外量子效率低下的主要因素是光子在半导体和空气界面处的全反射。根据实际芯片建立LED模型,利用蒙特卡罗方法进行光线追迹模拟,分析了光子的主要损耗对出光效率的影响。计算不同的表面粗化微元,微元尺寸及微元底角对LED光提取效率的影响;比较不同微元形成的光场分布。模拟显示:所设计最佳的表面粗化结构在理想状况下可以提高光提取效率3倍以上。

中科院半导体所研制出GaN基紫外激光器

中国科学院半导体研究所的研究人员研制出了新型GaN基紫外激光器，取得了我国继GaN基蓝光和绿光激光器之后的又一突破进展。

二极管泵浦高能激光研究进展和展望

高能激光广泛应用于材料加工、科学研究、空间碎片清除、军事应用等领域。二极管泵浦高能激光具有结构紧凑,系统简单、全电驱无限弹仓的特点,近年来,各类二极管泵浦高能激光围绕着同时实现高功率、高效率、高光束质量这一总目标发展迅速。详细综述了国内外高平均功率块状固体激光、高功率可见光波段激光、高峰值功率激光、高功率光纤激光、碱金属蒸气激光等二极管泵浦高能激光的研究进展,并对其发展趋势进行了展望。

GaN基光电子材料及器件的研究

GaN材料是性能优越的化合物半导体,与其相关的合金材料可以制作出高亮度蓝光、绿光发光二极管、紫外探测器、半导体蓝色激光器(LD)等具有重要应用价值的光电子器件,因而备受重视,本文综述了GaN基光电子器件研究开发现状及其应用前景。

半导体所研制出GaN基紫外激光器

12月14日，中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室研究员赵德刚团队研制出氮化镓（GaN）基紫外激光器。紫外激光器的研制成功也是我国在GaN基蓝光和绿光激光器突破之后取得的又一重要进展。

LD泵浦Nd∶YVO_4/KTP腔内倍频绿光激光器的研究

报道了LD端面泵浦Nd∶YVO_4晶体、类相位匹配KTP腔内倍频的绿光激光器。实验中,在泵浦功率为8.6W时,输出的基模绿光功率为132mW,分析了转换效率低的一些原因。