制造性能更好的蓝色和绿色激光器

蓝色和绿色激光二极管将让全彩激光投影仪和激光电视拥有十分惊人的电光转换效率

日亚化学（Nichia）成立于1956年，总部位于日本阿南市，是一家知名的化学材料、LED和激光二极管制造商。50多年来，公司一直致力于显示器相关业务。早在1970年，公司就开始生产用于彩色电视的荧光粉。之后一年，开始为客户的高压汞灯（投影显示器的关键元件）生产所需的荧光粉。凭借高亮度蓝色LED的发明，公司在20世纪90年代享誉全球，并于1993年开始生产该产品。在此成功的基础上，公司于1995年生产出了世界上首个电子注入式InGaN基激光二极管。这一特别成功为激光投影仪和激光电视等激光显示器的发展奠定了关键基础。这类激光显示器采用了发射红、绿、蓝三基色的激光器，其市场在持续增长。

一套直射式产品系列

我们不仅是蓝色激光二极管的先驱，也是第一家将瓦特级绿色激光二极管商业化的公司。这两种产品均属于我们的激光二极管产品系列，其光源范围涵盖从375nm的紫外光到532nm的绿光。显示器制造商可以将我们的激光器与许多其他公司商业化生产的红色激光二极管结合使用。

由于其在色彩图上的强大能力，红、绿、蓝激光器的组合给投影仪带来了很大前景。当这三种光源结合在一起时，会扩展色域，产生更多的颜色，最终可能创建刺激感官的图像。从商业角度来看，激光二极管也具有吸引力：功耗低、寿命长，有助于降低电影院的运营成本。

此处，我们详细介绍蓝色和绿色激光二极管的最新进展。当这些光源加上红光的衍生物，发射窄波长时，就可以创建色彩丰富的显示器。就其成熟度而言，红色和蓝色激光器处于领先地位，并且已经实现了量产。最常见的绿色光源实际上是基于1064nm激光器二次谐波的光源，其来源是一种复杂的装置，装置功率转换效率对于商业器件来说通常只有6.5%左右。由于性能上的不足，人们迫切期望发展出高效的绿色激光二极管，推动激光投影仪的应用。

△ 图1. 日亚化学的多模蓝色和绿色激光二极管。

破纪录的蓝光和绿光

为什么绿色激光二极管的制造如此困难？如果从蓝色开始，则必须通过增加量子阱中的铟含量，缩小禁带，将发射转换到绿色。不幸的是，这种方法有一个缺点，由于InN的晶格常数比GaN大得多，因此会向有源区引入应变。应变会导致退化，阻碍量子阱中电子和空穴之间的辐射复合。而且，随着晶体结构的扭曲会导致铟含量增加，从而导致压电极化，由此会改变能带结构的轮廓。其影响包括发射波长的变化以及由于载流子复合概率的降低而导致的发光效率的降低。

为了抑制压电场，一些研究小组转向使用非极性GaN衬底，但这种衬底的尺寸和可用性都有限制。我们更倾向于具有更大商业可行性的替代方法，包括减薄量子阱来实现更好的均匀性以及电子和空穴波函数的更大重叠。通过改变外延结构和器件设计，我们生产出了具有高电光转换效率的激光二极管。

我们利用MOCVD生长激光器的外延层结构。其生产过程包括将2寸c面自支撑GaN衬底装入MOCVD反应腔中，沉积n型层、有源层和p型层。我们通过蚀刻在p侧形成脊状结构，将这些外延片加工成器件（见图(1)），然后将n型和p型电极添加到芯片的顶部和底部。这些边缘发射结构末端的反射镜是通过晶圆切割然后在裸露的面上涂上介质镜而形成的。为了减少光吸收损耗，我们非常注重外延叠层的光学限制结构的设计。激光器的制造是采用倒装方法将芯片安装在可抑制热阻的TO-can封装中来完成的。

△ 图2. （a）3A CW下的发射光谱和（b）日亚化学蓝色激光二极管在25ºC CW模式下的电流-光（I-L）和电流-电压（I-V）特性。

△ 图3. 日亚化学蓝色激光二极管在25ºC CW模式下的电流-WPE (I-WPE)特性。

△ 图4. 日亚化学蓝色激光二极管在外壳温度65ºC、3.0ACW模式自动电流控制下的寿命测试结果。工作电流按其初始值标准化。

蓝光超出50%

早在2001年，我们就曾公布过蓝色激光二极管里的一个重要里程碑：该器件首次实现毫瓦输出功率。在接下来的几年里我们取得了快速进展，于2007年推出了首款瓦特级激光二极管。最近，我们突破了另一个重大屏障，实现了50%的WPE。对于我们发射波长为455nm的蓝色激光器，其光谱宽度通常为2nm，这意味着所有光能仅存在于LED光谱宽度的十分之一左右。令人惊讶的是，一半的电输入功率转换成激光的波长仅为2nm。但请注意，这一效率水平低于性能最好的GaAs基和InP基激光二极管的效率水平，因此我们可以预计未来效率会进一步提高。

年初，我们展示过以3A电流驱动的455nm蓝色激光器的光学输出为5.90W，WPE为51.6%（见图2和3）。芯片设计的发展提高了这些激光二极管的输出功率和效率标准。具体来说，性能的提高来自于抑制激光二极管元件内部的吸收损耗、提高载流子注入效率以及通过降低电阻来调整工作电压。

我们蓝色激光器的一个重要特点是其卓越的可靠性。在额定电流为3A的30,000小时寿命测试中证明了这一点（见图4）。由于这一特性，我们的蓝色激光二极管可以在投影仪显示器中使用几年或更长时间，比传统的灯光源寿命更长，而传统的灯光源则需要在几千小时后进行更换。

为了达到所需的输出功率，我们可以将多个蓝色激光二极管安装在一个封装中。采用这种方法，我们可以生产出光输出功率从20W到100W的光源。

近年来，全球范围内出现了从灯光源到固态光源的转变。随着产品的更新换代，这种趋势还将持续。这一转变的核心是激光二极管。毫无疑问，随着从灯到激光器的转变蔓延到所有市场，激光二极管将成为主流。

△ 图5. （a）日亚化学525 nm绿色激光二极管在外壳温度25ºC时、1.9A CW模式下的发射光谱。（b）25℃ CW模式下绿色激光二极管的电流-光（I-L）和电流-电压（I-V）特性。

△ 图6. （a）日亚化学532nm绿色激光二极管在外壳温度为25℃时、1.9A CW模式下的发射光谱。（b）25℃ CW模式下绿色激光二极管的电流-光（I-L）和电流-电压（I-V）特性。

△ 图7. 日亚化学（a）525nm和（b）532nm绿色激光二极管在25°C CW模式下的电流-WPE（I-WPE）特性。

瓦特级绿光

近期我们所取得的另一项成功是将525nm绿色激光二极管的WPE提高到近24%。该激光器能够完全覆盖绿光区数字电影的标准。为了实现这一成功，我们克服了与压电极化相关的挑战，减少了电子和空穴的重叠，从而降低了辐射效率。我们的解决方案是减少有源层的厚度。虽然压电极化仍然存在，但通过将有源层厚度变得非常薄，我们抑制了发光的减少。

绿色激光二极管的脊宽为20µm，腔长为1200µm，其特性凸显了量子阱更薄的优势。当以1.9A的电流驱动时，我们的525nm发射器件可提供1.86W功率和23.8%的WPE，同时还受益于低阈值电流（见图(5)）。此外，我们还生产出基于二次谐波产生的现有532nm激光器的直接替代品。我们的532nm激光器以1.9A电流驱动，可产生1.64W的光输出和20.2%的WPE（见图(6)）。请注意，我们的绿色激光器可以以较低的输出功率产生更高的WPE。以1A电流驱动，525nm激光器的峰值WPE为5.9% ；当提供1W的光输出功率时，532nm激光器的最大WPE为21.9%（见图(7)）。

我们的研究将加速将现有的红色激光二极管与全新的、更强大、更高效的蓝色和绿激光二极管相结合，为投影仪创造引人注目的光源。此举将使新一代投影机具有宽色域。请注意，其高效率的优点不仅仅在于削减电费，还简化了热管理，这一点非常重要。我们正在开辟新的天地，是唯一一家拥有商业化瓦特级532nm激光二极管的公司。所提供的光源完全满足BT.2020高清标准。更高的效率不仅对投影仪应用很有价值，而且在其他市场（包括加工和工业应用）中也将是一种资产。

扩展阅读

Y. Nakatsu et.al. “Blue and green edge-emitting laser diodes and vertical-cavity surface emitting lasers on c-plane GaN substrates.”, Proc. SPIE 12421 124210F 1-8(2023).