氮化鎵（GaN）藍光激光二極管（LD）在高密度數據存儲、激光顯示、照明與量子技術等領域具有重要應用。但目前，其輸出功率與GaAs基LD仍有差距，進一步提升功率密度與可靠性對于降低成本至關重要。在GaN材料體系中，外延晶體質量是決定LD性能的關鍵因素，晶體中的位錯和非輻射復合中心會嚴重影響器件的效率和可靠性。此外，高功率LD面臨的另一個挑戰是腔面處的災變性光學損傷（COD），腔面介質膜材料與GaN晶面之間的界面質量是影響COD閾值的關鍵因素。

近日，清華大學羅毅院士課題組與安徽格恩半導體有限公司合作，通過深入研究GaN同質外延過程中的位錯控制、InGan/GaN多量子阱的應力調控以及腔面鍍膜技術，制備了高效的GaN藍光激光二極管。他們在該工作中利用了氫化物氣相外延（HVPE），結合多次掩膜技術和3D-2D交替生長技術，將GaN襯底的位錯密度降低了60%。通過集成InGaN/GaN超晶格（SL）波導結構，進一步減輕了量子阱有源區的應力，使光致發光（PL）強度提升了約60%。

此外，該團隊還采用電子回旋共振（ECR）技術提升了腔面鍍膜質量，顯著降低了高反（HR）和抗反（AR）膜表面的粗糙度，改善了大電流注入下的COD問題。最終，該研究實現了波長447 nm的脈沖激光發射，最大輸出功率達到15 W，電光轉化效率（WPE）為38%。這些成果為研制國產高性能GaN激光器、探索GaN大功率激光器的新應用奠定了堅實基礎。該文章以題為“Gallium nitride blue laser diodes with pulsed current operation exceeding 15W in optical output power”發表在Journal of Semiconductors上。

圖1. GaN單晶生長路徑示意圖。

圖2. （a）LD的功率-電流-電壓（PIV）以及WPE特性；（b）LD的光譜，插圖是GaN激光器在發光時的圖像。

來源：中國科學院半導體研究所“半導體學報”微信公眾號