中科院團隊研發(fā)鈣鈦礦半導體激光器 中國半導體激光行業(yè)發(fā)展前景預測

• 2020年11月25日 HuangJiang來源：互聯網 362 16
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半導體激光器應用于生活的方方面面，用鈣鈦礦材料制作半導體激光器是最新的方法之一，但此前該類激光器需在苛刻的低溫環(huán)境下才能持續(xù)工作。如何讓鈣鈦礦半導體激光器在室溫下輸出更穩(wěn)定，成為該研發(fā)領域的重要課題。

半導體激光器應用于生活的方方面面，用鈣鈦礦材料制作半導體激光器是最新的方法之一，但此前該類激光器需在苛刻的低溫環(huán)境下才能持續(xù)工作。如何讓鈣鈦礦半導體激光器在室溫下輸出更穩(wěn)定，成為該研發(fā)領域的重要課題。

針對這一重要課題，秦川江團隊與日本九州大學安達千波矢團隊開展國際合作，歷時5年取得重要進展。團隊采用特殊設計的鈣鈦礦材料，制作出高效半導體激光器。秦川江介紹，鈣鈦礦半導體激光器只能在低溫條件下(零下153攝氏度附近)穩(wěn)定工作，在室溫下工作數分鐘后，激光便會消失，主要源于鈣鈦礦中存在一種名為“三重態(tài)激子”的物質。團隊利用特殊材料設計將該物質轉移出來，進而實現了鈣鈦礦半導體激光器在室溫下持續(xù)穩(wěn)定的輸出。

根據中研普華《2020-2025年中國半導體激光行業(yè)深度分析及發(fā)展前景預測報告》分析：該研究成果未來有望在光通信、光信息處理、光儲存、照明和顯示等領域得到廣泛應用。

研究員秦川江聯合日本科研人員，在制作新型半導體激光器的研發(fā)上取得進展，為下一步半導體激光器更穩(wěn)定工作提供重要支撐。該成果于9月2日在《自然》期刊上發(fā)表。

新型氮化鎵半導體激光器

III族氮化物半導體是繼第一代Si、Ge元素半導體和第二代GaAs、InP化合物半導體之后的第三代半導體，通常又被稱為寬禁帶半導體。其為直接帶隙材料，禁帶寬度在0.7 eV (InN)至6.2 eV (AlN)之間連續(xù)可調，發(fā)光波長覆蓋了近紅外、可見光到深紫外等波段;其還具有發(fā)光效率高、熱導率大、化學穩(wěn)定性好等優(yōu)點，可用于制作半導體激光器?；贗II族氮化物的半導體激光器在激光顯示、激光照明、激光通信、材料加工和激光醫(yī)療等領域具有重要的應用(圖1)，因此得到了國內外產業(yè)界知名企業(yè)和全球頂尖科研機構的廣泛關注。

自1996年日本日亞公司研制了國際首支GaN基激光器以來，GaN基激光器性能得到了巨大提升，單顆芯片連續(xù)輸出功率已超過7瓦，然而其電光轉換效率仍然較低(<50%)，遠小于GaAs基激光器的電光轉換效率(≈80%)。究其主要原因是GaN基激光器的串聯電阻較大、熱阻較高，導致工作電壓和工作結溫較高，最終嚴重影響了器件性能和可靠性。

針對上述問題，中科院蘇州納米所孫錢團隊從半導體摻雜和載流子輸運理論出發(fā)，有效利用III族氮化物材料中施主激活效率比受主高、電子遷移率比空穴大的特點，提出了一種新型GaN基激光器結構：翻轉脊形波導激光器(圖2)，該結構的關鍵是將脊形波導從高電阻率的p側轉移到低電阻率的n側，可大幅降低器件的串聯電阻和熱阻，顯著降低工作電壓和結溫，從而有效提升器件性能和可靠性。另外，翻轉脊形波導激光器還可與硅基CMOS實現更好的兼容。相關結構申請了國家發(fā)明專利并已授權(ZL 201710022586.5);還通過PCT(PCT/CN2017/116518)進入了美國、日本、德國，其中美國專利已授權(US 10840419)。

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