激光器|蓝色高功率激光二极管——用于新型应用的束源( 二 ) 芯片|AR

图3红外GaAs和可见光发射GaN基半导体激光器芯片和封装输出功率的开发。
对于GaN来说，电源应用的开发始于2000年之后。这方面的进展比红外技术更快，因为为红外技术开发的许多构件也可用于450纳米系统。虽然红外激光器最初的谐振腔长度为300μm ，发射器较窄，模具较小，但现在它们的谐振腔长度已达到4至6 mm ，在10 mm宽的激光棒中填充系数达到70%或更高。如今的GaN激光器远远没有这些设计特点。
当观察一些材料参数时，这种差异的原因变得可以理解。表1比较了一些特性。第一个最明显的区别是带隙。 GaAs的红外带隙约为1.42eV ， GaN的高带隙约为3.42eV 。当人们需要不同的波长时，这种差异是不可避免的。 p型掺杂的活化能、空穴迁移率、光在激光谐振腔中的吸收系数和特征温度T0都有进一步的技术影响。
表1 GaAs和GaN材料参数的比较。

由于高活化能，只有一小部分掺入的镁实际上起到掺杂剂的作用，导致许多镁原子扰乱晶格并增加吸收，但不会提高载流子密度和导电率。在砷化镓中，碳常被用作p型掺杂剂。这是100%离子化的，这意味着包含的所有碳都有助于实现高掺杂和低电阻。类似地， GaAs中的空穴迁移率大约是GaN中的两倍，导致更低的电阻率，因此更低的电损耗，即使在GaAs中的C杂质密度低于GaN中的Mg杂质密度的情况下也是如此。
GaN基激光二极管的最佳谐振腔长度为1.2/cm ，相比于高功率GaAs激光器的小于0.5/cm ，因为它们的吸收更高。这些都使得描述阈值电流随温度变化的T0值很低。在GaAs高功率激光器中，当工作温度越高时，阈值电流的增长速度越快、幅度越大。 GaAs和GaN两种器件的高T1值表明，斜坡效率对温度的依赖性很小。两者共同描述了GaN激光二极管对更高的工作温度反应更敏感，在给定的工作电流下，输出功率随温度下降得更快。
一开始就必须克服一些非常基本的问题，才能制作和操作GaN棒。由于激光棒是非常大的设备，因此必须保证基板的低缺陷密度。此外，还必须提高外延层的结晶质量。长期以来，人们认为制作激光棒是不可能的，因为GaN是一种位错密度高于GaAs的材料。据推测，单一发射极故障将导致灾难性故障，正如过去观察到的GaAs激光棒故障一样。由于工作电压也取决于温度，一根棒上一个发射极的低效运行会影响到邻近的发射极，因此必须通过尽可能多地对单个发射极进行热解耦来防止热失控。所有这些都使GaN激光棒的实现成为可能。
在图4中，显示了相同谐振腔长度的蓝色激光棒和红外激光棒的LI、UI和WPE过工作电流曲线。在左边的图片时输出功率85 W的蓝色条50岁的远高于红外激光(47 W)但很明显，这只是由于更宽的带隙，并导致4.1 V的工作电压远高于红外激光条的1.5 V 。这导致在50 a时，壁塞效率较低，仅为40%而不是>60%（图4右图）。

图4 LI UI和效率超过电流的蓝色和红外激光棒。
对于红外二极管来说，过去几年的策略是降低吸收，增加填充因子增加接触尺寸，增加谐振器长度，并通过降低电阻率进一步降低欧姆损耗。商业应用中cw运行的高输出功率>300W是当今最先进的技术。相比之下，氮化镓激光器不能用长谐振腔，而器件中的光吸收很高。同样，填充因子不能增加，因为这会导致高阈值电流。因此，必须进一步改进不同的材料参数，才能实现更多的设计机会。
目前，用于450 nm发射的GaN激光器的填充系数低于10%(以保持低阈值电流并允许有效冷却) ，谐振器长度可达1200μm ，以避免吸收导致的低斜率效率。它们安装在水冷式微通道冷却器上，在热滚转前可输出功率107w以上，峰值效率约为44%(图5左) 。如图5所示， AlGaInN的材料组合提供了调节不同发射波长的可能性，这是波长复用的要求。