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中科院团队研制国产GaN基绿光激光器性能获突破

MicroLED.cn 衬底 2021-12-29 21:47:51 27740 0 | 文章出自:江苏第三代半导体研究院 衬底

在最新一期的SCIENCE CHINA Materials上,中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所刘建平团队发表了关于GaN基绿光激光二极管(LD)的研究进展。

文章采用各种光学测量手段对绿光LD结构和芯片进行了表征。(文章信息:Tian, A., Hu, L., Li, X. et al. Greatly suppressed potential inhomogeneity and performance improvement of c-plane InGaN green laser diodes. Sci. China Mater. (2021). https://doi.org/10.1007/s40843-021-1804-x)

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(a)器件结构 (b)外延结构
(c)绿光LD垂直于p-n结的光分布示意图

表征的结果显示,激发功率密度为7 W cm-2时, 300 K下光致发光半高宽为108 meV, 电流密度为20 A cm-2时, 电致发光半高宽为114 meV, 这些研究结果表明势能均匀性得到了显著改善。同时, 由变温光致发光测试得到的表征局域态分布宽度的σ值和由时间分辨光致发光测试得到的表征激子局域带尾态的E0值都很小, 进一步表明势能均匀性很好。由于势能均匀性的极大改善, 实现了斜率效率0.8 W A-1, 输出光功率可以达到1.7 W的绿光LD芯片。

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(a)不同电流密度下的EL谱(b)绿光LD的输出功率

此外,刘建平团队还在2021年11月8日举行的第四届宽禁带半导体学术会议上报道了GaN蓝光激光器研究成果。在前期工作基础上,通过采用倒装芯片技术和低热阻封装结构,大幅提高了连续工作的蓝光激光器的光输出功率,其封装热阻为6.7 K/W,连续工作输出光功率达到7.5 W。

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苏州纳米所刘建平团队研制的蓝光激光器的电流-光功率-电压图

我们注意到,近期研究GaN基激光器的热度在持续升温,不断有相关进展报道。今年3月份,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8瓦大功率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

8月份,中科院半导体所集成光电子学国家重点实验室赵德刚研究员团队研制出氮化镓(GaN)基大功率蓝光激光器,室温连续输出功率同样高达6 W。该成果发表在Journal of Semiconductors 期刊上(文章信息:doi: 10.1088/1674-4926/42/11/112801)。

研究的热潮源于GaN激光器的市场在高速稳健的增长,其在显示、存储、军事、医疗、仪器仪表、娱乐、光刻以及打印等诸多领域开始被广泛应用。但因GaN激光器制作难度高,技术壁垒大,产品长期把控在国际几家大企业的手中,被誉为皇冠上的明珠。其技术难点主要包括:高质量衬底材料、高质量外延结构、高质量欧姆接触、原子级晶体解理等方面。

全球激光器市场应用规模与分类

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数据来源:laser focus world

以高质量衬底材料为例,要求衬底为低缺陷密度材料。GaN基激光器相对于其他GaN器件而言是对晶体质量要求最为严苛的,因为GaN激光器工作的电流密度是普通器件的百倍甚至千倍,因此如果在材料中有位错类的高密度缺陷,将会形成漏电通道,导致器件迅速失效。

常规方法是在GaN单晶衬底上外延激光器结构,进而制备半导体激光器。目前世界顶级的GaN单晶衬底供应商Sumitomo Electric,也是Nichia的重要合作伙伴,受限于其重要的军事用途而被严格禁运。

好在近年来,以苏州纳维、东莞中镓为代表的国内主要衬底厂商,在研制高质量GaN单晶衬底的方面进展较快,其中纳维产品的位错密度已达到104cm-2,达到世界先进水平,基本解决了GaN激光器衬底材料被国外“卡脖子”的困境。

结论

Nichia公司还是控制了当前大功率GaN激光器市场,而Sharp和Osram公司则是全球中小功率GaN基激光器的主流供应商。我国想要切入这块市场,需要加大工程化和产业化投入,努力攻克产业化的问题和难点,才能彻底突破国际垄断,真正实现GaN基激光器的国产化。

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