研究背景

氮化鎵（GaN）藍(lán)光激光器具有體積小、重量輕、電光轉(zhuǎn)換效率高、易于單片集成等優(yōu)點(diǎn)。隨著在激光顯示、航天航空、工業(yè)加工等領(lǐng)域的應(yīng)用需求不斷增加，對激光器的功率密度、壽命的要求不斷提升。然而，高功率密度勢必會導(dǎo)致激光器的老化問題加劇，使其有效工作時長大幅降低。因此，需要了解大功率GaN激光器的老化機(jī)制，開發(fā)新的抗老化技術(shù)，以提高激光器的效率與壽命。

近日，廈門大學(xué)康俊勇教授課題組與三安光電股份有限公司合作，系統(tǒng)研究了瓦級大功率GaN激光器的老化物理機(jī)制，從而設(shè)計(jì)并制備了抗老化芯片結(jié)構(gòu)，減緩老化過程，大幅提高器件壽命。該工作以封底文章形式發(fā)表于Advanced Photonics Research （圖1）。

圖1. 文章封面

研究內(nèi)容

此前，受限于藍(lán)光GaN激光器材料及器件技術(shù)水平，激光器的老化研究主要集中在小功率（毫瓦級）器件。伴隨著瓦級激光器的應(yīng)用需求急速增加，大功率、長壽命、高可靠性的藍(lán)光激光器是目前的研究熱點(diǎn)與技術(shù)應(yīng)用方向，但相關(guān)的老化研究仍是空白。早期基于毫瓦級激光器的研究文獻(xiàn)表明有源區(qū)缺陷增加和腔面老化可能是導(dǎo)致激光器老化的主要因素。隨著激光器功率密度的提升，其面臨的老化問題就更加嚴(yán)重。

針對上述問題，本研究團(tuán)隊(duì)制備大功率藍(lán)光GaN單管激光器并基于該器件進(jìn)行了老化測試分析（圖2）。首次發(fā)現(xiàn)諧振腔面元素?cái)U(kuò)散是導(dǎo)致大功率激光器老化的關(guān)鍵因素，此因素在毫瓦級激光器中并未發(fā)現(xiàn)。同時，團(tuán)隊(duì)對多種激光器老化因素進(jìn)行了整合及分析，基于此梳理完善了大功率GaN藍(lán)光激光器老化機(jī)制。

圖2. 老化測試分析。a) 激光器前腔面示意圖。b) 陰極熒光信號分布圖。c, d) 鎂、硅元素老化前后對比圖。

圍繞大功率激光器腔面元素?cái)U(kuò)散這一關(guān)鍵老化因素，團(tuán)隊(duì)提出新的抗老化技術(shù)，設(shè)計(jì)并制備了新型諧振腔結(jié)構(gòu)。該技術(shù)經(jīng)過5500小時的老化測試驗(yàn)證（圖3），從1000小時起，老化抑制能力實(shí)現(xiàn)了近10倍的提升。基于5500小時老化數(shù)據(jù)，由常規(guī)線性老化模型預(yù)測該技術(shù)能夠延長大功率GaN藍(lán)光激光器壽命至25000小時；由溫度相關(guān)指數(shù)衰減模型預(yù)測器件壽命可超20000小時。

該工作對于提高大功率GaN藍(lán)光激光器壽命提供新的研究思路。

圖3. 抗老化新技術(shù)。a) 技術(shù)原理圖。b) 效果對比圖。c) 激光器壽命預(yù)測。

論文信息

High-Power GaN-based Blue Laser Diodes Degradation Investigation and Anti-aging Solution. Advanced Photonics Research, 2024, 2400119. <https://doi.org/10.1002/adpr.202400119>

該論文第一作者為廈門大學(xué)博士研究生張恩銘、三安光電曾越，通訊作者為廈門大學(xué)康俊勇教授、康聞宇副研究員。