復(fù)合結(jié)構(gòu)綠光激光器光功率
發(fā)布時(shí)間：2020-09-27 15:27
激光器是20世紀(jì)四大發(fā)明之一，自1960年被發(fā)明以來(lái)，它已經(jīng)在醫(yī)療、信息、材料加工、國(guó)防和科學(xué)研究等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。半導(dǎo)體激光器是采用半導(dǎo)體芯片加工工藝制備的激光器，具有體積小、成本低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，是應(yīng)用最多的激光器類(lèi)別?；贕aN材料體系（GaN、InGaN和AlGaN）的激光器將半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)擴(kuò)展到可見(jiàn)光譜和紫外光譜范圍，在顯示、照明、醫(yī)療、國(guó)防安全和金屬加工等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。綠光激光器可3D打印銅和貴金屬
但在500 - 550 nm的綠光光譜范圍內(nèi)，GaN基半導(dǎo)體激光器的性能與其他波段相比還有很大的差距，這被稱(chēng)為“綠色鴻溝（green gap）”。綠色是顯示三原色之一，高功率綠光激光器對(duì)激光顯示技術(shù)具有重要的意義。此外，小體積的直接半導(dǎo)體綠光激光器在醫(yī)療、國(guó)防安全等方面也有很多重要的應(yīng)用需求。
激光產(chǎn)生的原理為光增益材料中的光在光腔中振蕩放大，形成相位、頻率和傳播方向都相同的光，即激光。通常半導(dǎo)體激光器的光增益區(qū)和光腔都是半導(dǎo)體材料組成，厚度為亞微米或微米尺度，這是半導(dǎo)體激光器體積小的原因。光腔由折射率比增益區(qū)小的半導(dǎo)體材料組成，折射率的調(diào)控通過(guò)改變半導(dǎo)體材料的組成和組分實(shí)現(xiàn)。例如808 nm的紅外激光器的增益區(qū)為GaAs量子阱，采用折射率低的AlGaAs為光腔限制層。
因?yàn)镚aAs和AlGaAs的晶格常數(shù)幾乎一致，并且制備條件相似，所以激光器的增益區(qū)和光腔的質(zhì)量很高，激光器的性能也很好。對(duì)于GaN基綠光激光器，增益區(qū)為In0.3Ga0.7N量子阱，光腔限制層為AlGaN層，但是In0.3Ga0.7N和AlGaN的晶格常數(shù)和制備條件差異很大，這是導(dǎo)致綠光激光器性能不好的主要原因。
針對(duì)這個(gè)難題，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所劉建平課題組博士生胡磊等人在Photonics Research 2020年第3期上展示了以氧化銦錫（ITO）代替光腔上限制層AlGaN的高功率復(fù)合結(jié)構(gòu)綠光激光器。
具有ITO限制層的GaN激光器或傳統(tǒng)GaN激光器的結(jié)構(gòu)示意圖（圖片來(lái)源：“High power hybrid GaN-based green laser diodes with ITO cladding layer”， Photonics Research）
此項(xiàng)工作設(shè)計(jì)并制備了以ITO代替光腔AlGaN上限制層的復(fù)合結(jié)構(gòu)綠光激光器。ITO具有良好的導(dǎo)電性并在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)透明，廣泛用于光學(xué)器件的透明電極和電路。而在激光器中，因?yàn)镮TO的折射率遠(yuǎn)低于AlGaN限制層，可以有效地將光限制在激光器光腔內(nèi)，因此同時(shí)起到激光器光腔限制層的作用。ITO可以在300 °C左右甚至室溫下沉積，因此能有效抑制綠光In0.3Ga0.7N量子阱增益區(qū)在生長(zhǎng)AlGaN上限制層時(shí)的質(zhì)量退化。
