在最新一期的SCIENCE CHINA Materials上，中科院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所劉建平團(tuán)隊(duì)發(fā)表了關(guān)于GaN基綠光激光二極管(LD)的研究進(jìn)展。

文章采用各種光學(xué)測(cè)量手段對(duì)綠光LD結(jié)構(gòu)和芯片進(jìn)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）

（a）器件結(jié)構(gòu) （b）外延結(jié)構(gòu)
（c）綠光LD垂直于p-n結(jié)的光分布示意圖

表征的結(jié)果顯示，激發(fā)功率密度為7 W cm-2時(shí), 300 K下光致發(fā)光半高寬為108 meV, 電流密度為20 A cm-2時(shí), 電致發(fā)光半高寬為114 meV, 這些研究結(jié)果表明勢(shì)能均勻性得到了顯著改善。同時(shí), 由變溫光致發(fā)光測(cè)試得到的表征局域態(tài)分布寬度的σ值和由時(shí)間分辨光致發(fā)光測(cè)試得到的表征激子局域帶尾態(tài)的E0值都很小, 進(jìn)一步表明勢(shì)能均勻性很好。由于勢(shì)能均勻性的極大改善, 實(shí)現(xiàn)了斜率效率0.8 W A-1, 輸出光功率可以達(dá)到1.7 W的綠光LD芯片。

（a）不同電流密度下的EL譜（b）綠光LD的輸出功率

此外，劉建平團(tuán)隊(duì)還在2021年11月8日舉行的第四屆寬禁帶半導(dǎo)體學(xué)術(shù)會(huì)議上報(bào)道了GaN藍(lán)光激光器研究成果。在前期工作基礎(chǔ)上，通過(guò)采用倒裝芯片技術(shù)和低熱阻封裝結(jié)構(gòu)，大幅提高了連續(xù)工作的藍(lán)光激光器的光輸出功率，其封裝熱阻為6.7 K/W，連續(xù)工作輸出光功率達(dá)到7.5 W。

蘇州納米所劉建平團(tuán)隊(duì)研制的藍(lán)光激光器的電流-光功率-電壓圖

我們注意到，近期研究GaN基激光器的熱度在持續(xù)升溫，不斷有相關(guān)進(jìn)展報(bào)道。今年3月份，廈門(mén)大學(xué)康俊勇、李金釵團(tuán)隊(duì)與三安光電聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目取得突破性成果，超8瓦大功率InGaN藍(lán)光激光器設(shè)計(jì)和制作已達(dá)到國(guó)際水準(zhǔn)。該成果發(fā)表在Optics and Laser Technology期刊上

8月份，中科院半導(dǎo)體所集成光電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室趙德剛研究員團(tuán)隊(duì)研制出氮化鎵（GaN）基大功率藍(lán)光激光器，室溫連續(xù)輸出功率同樣高達(dá)6 W。該成果發(fā)表在Journal of Semiconductors 期刊上（文章信息：doi: 10.1088/1674-4926/42/11/112801）。

研究的熱潮源于GaN激光器的市場(chǎng)在高速穩(wěn)健的增長(zhǎng)，其在顯示、存儲(chǔ)、軍事、醫(yī)療、儀器儀表、娛樂(lè)、光刻以及打印等諸多領(lǐng)域開(kāi)始被廣泛應(yīng)用。但因GaN激光器制作難度高，技術(shù)壁壘大，產(chǎn)品長(zhǎng)期把控在國(guó)際幾家大企業(yè)的手中，被譽(yù)為皇冠上的明珠。其技術(shù)難點(diǎn)主要包括：高質(zhì)量襯底材料、高質(zhì)量外延結(jié)構(gòu)、高質(zhì)量歐姆接觸、原子級(jí)晶體解理等方面。

全球激光器市場(chǎng)應(yīng)用規(guī)模與分類(lèi)

數(shù)據(jù)來(lái)源：laser focus world

以高質(zhì)量襯底材料為例，要求襯底為低缺陷密度材料。GaN基激光器相對(duì)于其他GaN器件而言是對(duì)晶體質(zhì)量要求最為嚴(yán)苛的，因?yàn)镚aN激光器工作的電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錯(cuò)類(lèi)的高密度缺陷，將會(huì)形成漏電通道，導(dǎo)致器件迅速失效。

常規(guī)方法是在GaN單晶襯底上外延激光器結(jié)構(gòu)，進(jìn)而制備半導(dǎo)體激光器。目前世界頂級(jí)的GaN單晶襯底供應(yīng)商Sumitomo Electric，也是Nichia的重要合作伙伴，受限于其重要的軍事用途而被嚴(yán)格禁運(yùn)。

好在近年來(lái)，以蘇州納維、東莞中鎵為代表的國(guó)內(nèi)主要襯底廠(chǎng)商，在研制高質(zhì)量GaN單晶襯底的方面進(jìn)展較快，其中納維產(chǎn)品的位錯(cuò)密度已達(dá)到104cm-2，達(dá)到世界先進(jìn)水平，基本解決了GaN激光器襯底材料被國(guó)外“卡脖子”的困境。

結(jié)論

Nichia公司還是控制了當(dāng)前大功率GaN激光器市場(chǎng)，而Sharp和Osram公司則是全球中小功率GaN基激光器的主流供應(yīng)商。我國(guó)想要切入這塊市場(chǎng)，需要加大工程化和產(chǎn)業(yè)化投入，努力攻克產(chǎn)業(yè)化的問(wèn)題和難點(diǎn)，才能徹底突破國(guó)際壟斷，真正實(shí)現(xiàn)GaN基激光器的國(guó)產(chǎn)化。（來(lái)源：江蘇第三代半導(dǎo)體研究院）

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