研究背景

氮化鎵（GaN）藍光激光器具有體積小、重量輕、電光轉換效率高、易于單片集成等優點。隨著在激光顯示、航天航空、工業加工等領域的應用需求不斷增加，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激光器的老化機制，開發新的抗老化技術，以提高激光器的效率與壽命。

近日，廈門大學康俊勇教授課題組與三安光電股份有限公司合作，系統研究了瓦級大功率GaN激光器的老化物理機制，從而設計并制備了抗老化芯片結構，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表于Advanced Photonics Research （圖1）。

圖1. 文章封面

研究內容

此前，受限于藍光GaN激光器材料及器件技術水平，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用需求急速增加，大功率、長壽命、高可靠性的藍光激光器是目前的研究熱點與技術應用方向，但相關的老化研究仍是空白。早期基于毫瓦級激光器的研究文獻表明有源區缺陷增加和腔面老化可能是導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重。

針對上述問題，本研究團隊制備大功率藍光GaN單管激光器并基于該器件進行了老化測試分析（圖2）。首次發現諧振腔面元素擴散是導致大功率激光器老化的關鍵因素，此因素在毫瓦級激光器中并未發現。同時，團隊對多種激光器老化因素進行了整合及分析，基于此梳理完善了大功率GaN藍光激光器老化機制。

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擴散這一關鍵老化因素，團隊提出新的抗老化技術，設計并制備了新型諧振腔結構。該技術經過5500小時的老化測試驗證（圖3），從1000小時起，老化抑制能力實現了近10倍的提升。基于5500小時老化數據，由常規線性老化模型預測該技術能夠延長大功率GaN藍光激光器壽命至25000小時；由溫度相關指數衰減模型預測器件壽命可超20000小時。

該工作對于提高大功率GaN藍光激光器壽命提供新的研究思路。

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

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博士研究生張恩銘、三安光電曾越，通訊作者為廈門大學康俊勇教授、康聞宇副研究員。