日本全球最高水平綠色半導(dǎo)體激光器：LED實(shí)現(xiàn)5倍光輸出

索尼和住友電氣工業(yè)（以下簡(jiǎn)稱住友電工）試制出了具備“全球最高水平光輸出功率”（兩公司）的綠色半導(dǎo)體激光器。在振蕩波長(zhǎng)為530nm波段的“純綠色” 波長(zhǎng)領(lǐng)域，連續(xù)振蕩時(shí)可輸出100mW以上的輸出功率（圖1）。該數(shù)值與在相同波長(zhǎng)范圍振蕩的原綠色半導(dǎo)體激光器相比，光輸出功率為“2倍以上”（兩公司）。

索尼和住友電工試制的綠色半導(dǎo)體激光器

圖1：以532nm的振蕩波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)100mW的輸出功率

索尼和住友電工試制出了與其他公司的原產(chǎn)品相比可實(shí)現(xiàn)2倍以上光輸出的綠色半導(dǎo)體激光器。例如，在532nm的振蕩波長(zhǎng)下，輸出功率超過(guò)了 100mW（a）。該波長(zhǎng)的光輸出功率所占的比例相對(duì)于輸入功率高達(dá)7.5％（b）。閾值電壓只有4.7V也是一大特點(diǎn)（c）。（圖由本刊根據(jù)索尼的資料制作）

綠色半導(dǎo)體激光器此前一直面向投影儀光源等推進(jìn)研究開(kāi)發(fā)。因?yàn)榫G色半導(dǎo)體激光器可擴(kuò)大影像的色彩表現(xiàn)范圍、縮小投影儀的尺寸等。

在投影儀光源中，紅色和藍(lán)色半導(dǎo)體激光器已經(jīng)推出高輸出功率產(chǎn)品。而綠色半導(dǎo)體激光器只有振蕩波長(zhǎng)為520nm左右、在綠色波段中也屬于短波長(zhǎng)的產(chǎn)品。能直接振蕩530nm波段綠色激光的半導(dǎo)體激光器之前的光輸出功率比較小，未能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。因此，此前一直通過(guò)使紅外激光通過(guò)SHG結(jié)晶*，或者利用熒光材料轉(zhuǎn)換成藍(lán)色激光的波長(zhǎng)來(lái)獲得綠色激光。

*SHG結(jié)晶＝可獲得入射激光2倍的頻率、即一半波長(zhǎng)激光的非線性結(jié)晶。

如果能直接實(shí)現(xiàn)高功率的綠色半導(dǎo)體激光器，無(wú)需進(jìn)行波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的話，有助于投影儀降低成本、削減耗電量及實(shí)現(xiàn)小型化，為此各企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)等積極進(jìn)行了研究開(kāi)發(fā)。

此次開(kāi)發(fā)的530nm波段綠色激光器試制品在連續(xù)振蕩時(shí)的光輸出功率為100mW，可用于亮度約為20lm的超小型投影儀。不僅是光輸出功率，轉(zhuǎn)換效率、工作溫度范圍、振蕩閾值及壽命等也達(dá)到了實(shí)用化水平。例如，光輸出功率相對(duì)于輸入功率的比例（WPE）在532nm的激光振蕩時(shí)為7.5％，“與 SHG激光器相當(dāng)”（索尼）。

閾值電壓也只有4.7V。實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化要求的5V以下。工作溫度方面，外殼溫度為80℃，可進(jìn)行脈沖振蕩等，與用于藍(lán)光光盤(pán)光源的藍(lán)紫色半導(dǎo)體激光器產(chǎn)品相當(dāng)。

壽命也比較長(zhǎng)。在55℃的外殼溫度下以50mW連續(xù)振蕩時(shí)，估計(jì)壽命（達(dá)到初期電流值1.3倍的時(shí)間）超過(guò)了5000小時(shí)。各種性能參數(shù)均已超過(guò)實(shí)用水平，“雖然不便透露具體時(shí)間，不過(guò)打算為量產(chǎn)做準(zhǔn)備”（索尼）注1）。

注1） 今后，索尼計(jì)劃量產(chǎn)綠色半導(dǎo)體激光器，住友電工計(jì)劃量產(chǎn)用于該激光器的GaN基板。據(jù)稱住友電工正在考慮是否生產(chǎn)該激光器。

通過(guò)改變結(jié)晶面實(shí)現(xiàn)

此次之所以能試制出實(shí)用水平的綠色半導(dǎo)體激光器，是因?yàn)槔昧吮环Q為GaN結(jié)晶的“半極性面”的結(jié)晶面（圖2）。試制品在住友電工制造的GaN基板的半極性面上生成GaN類半導(dǎo)體結(jié)晶后制成?；钚裕òl(fā)光）層采用InGaN。

圖2：利用半極性面

普通的InGaN類半導(dǎo)體激光器利用GaN結(jié)晶的c面。而索尼等試制的激光器利用相對(duì)于c面傾斜75度的半極性面。即｛2021｝的面方位（a）。利用可削弱GaN結(jié)晶中的電場(chǎng)影響的半極性面提高了效率（b）（圖由本刊根據(jù)索尼的資料制作）

活性層采用InGaN的普通藍(lán)紫色和藍(lán)色半導(dǎo)體激光器，以GaN結(jié)晶的極性面c面為生長(zhǎng)面，以其法線方向（c軸）為生長(zhǎng)軸層疊GaN類半導(dǎo)體。但利用c面的話，因“壓電電場(chǎng)”的影響，很難在藍(lán)色波段的基礎(chǔ)上使波長(zhǎng)增長(zhǎng)到綠色波段。

此次利用的半極性面是指相對(duì)c面傾斜75度的面。即利用了｛2021｝面。從理論上說(shuō)，利用GaN結(jié)晶的半極性面能削弱壓電電場(chǎng)的影響。雖然還有比｛2021｝面更能削弱壓電電場(chǎng)的結(jié)晶面，但從易于提高結(jié)晶品質(zhì)等理由考慮，選擇了｛2021｝面。

其實(shí)住友電工2009年就試制出了采用該面的綠色半導(dǎo)體激光器，并成功實(shí)現(xiàn)了531nm的激光脈沖振蕩。但在特性方面未能達(dá)到實(shí)用水平。之后，住友電工與擁有半導(dǎo)體激光器制造經(jīng)驗(yàn)的索尼攜手，對(duì)該激光器的構(gòu)造、電極及結(jié)晶生長(zhǎng)等整體制造工藝進(jìn)行了改良，提高了激光器的性能。

關(guān)于量產(chǎn)時(shí)的課題基板，住友電工已開(kāi)始樣品供貨口徑最大擴(kuò)大至2英寸的半極性GaN基板。

LED將實(shí)現(xiàn)5倍的光輸出

通過(guò)改變GaN的結(jié)晶面，可以削弱壓電電場(chǎng)的影響，提高效率和輸出功率，因此不僅是激光器，很多企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)還開(kāi)始將其應(yīng)用到LED的研究開(kāi)發(fā)方面。例如，韓國(guó)首爾半導(dǎo)體2012年7月發(fā)布的白色LED利用了被稱為“無(wú)極性面”的、垂直于c面的結(jié)晶面。與原產(chǎn)品相比，此舉將單位面積的亮度提高到了 5倍以上。