新型照明用激光器件

新型照明用激光器件

一种新型的纳米激光器具有宽的工作电流范围和高发光效率。

一种多用途、高性能的固态光源需要在大范围的工作电流下始终能保持高的量子效率，很显然发光二极管是无法达到这种要求的。随着电流的增加，发光二极管的量子效率会呈现下降态势，而激光器在低于阈值电压下的工作性能也不尽如人意。

根据最近来自Sandia国家实验室的Weng Chow和Mary Crawford的报告，有一种器件可以在大范围的工作电流下始终保持良好的性能。根据他们的计算，这种纳米激光器阵列在低电流密度时几乎能与发光二极管的量子效率相媲美，而在高电流密度下它同样可与激光器的量子效率十分接近。

Chow和Crawford开发了唯一可适用于描述发光二极管和激光器工作在其阈值电压上下时的理论，并据此得出了上述结论。目前这一理论可应用于三类器件的研究：一是没有光学谐振腔的发光二极管器件，二是以分布式布拉格反射器为主导的垂直谐振腔表面发射激光器（VCSEL），三是具有更小线度光学振荡腔的纳米激光器，它具有更好的对自发发射过程的控制性能。

 用于模拟计算发光二极管效率的器件结构是由一个2nm厚的In_0.37Ga_0.63N量子阱层，并与两层GaN阻挡层形成三明治结构。Sandia的两名科学家之所以采用如此简单的器件结构，是因为可以避免产生由于载流子非均匀分布所引发的复杂性问题，还可以避免由于Stark量子约束效应所产生的屏蔽作用。在他们的计算中还引入一个条件，即是效率下降始于10A cm^-2左右。 他们认为这一数值是合理的，因为这个数值与来自加州大学Santa Barbara分校的chris van de Walle团队的工作符合得很好，该团队以第一性原理计算了声子作用下的俄歇散射问题。

Sandia团队的模拟工作针对的是在300K温度下工作、尺寸为100μm见方的器件。通过假设该器件具有100%的光获取效率、均匀的载流子注入以及在高激发态时不受费米能级限制等条件来确定这种器件的性能极限。

与此同时，对于垂直谐振腔表面发射激光器（VCSEL）的模型采用的是3 x 3器件阵列，具有5.6μm见方的光发射截面。选择了具有3%填充因数的结构，可使其工作电流为1A时输出功率可达到1W。

将垂直谐振腔表面发射激光器（VCSEL）器件的量子效率看作是随工作电流而变化的函数，可以看到，一旦激光器件的工作电流达到其阈值，其量子效率将会高于LED器件（见图）。然而，VCSEL可能是大功率照明应用中更为理想器件，它并不太适合普通的照明应用，这是因为此时为了节能而需要采用较低亮度的照明。

能够解决这一问题的是一种新型的纳米激光器，它可以由光子晶体或者等离子谐振腔构成，它的主要特点是能够将光的自发发射高效率地转化成为激光发射模式。当进行一个高阶自发发射时（自发发射因子β设置为1），器件的光输出功率几乎将会一直随工作电流的增加而持续增加。

这种输出功率随电流线性变化的特性是十分重要的，但需要指出的是，当纳米激光器无法发射激光时会导致器件性能的下降，这是受到InGaN和GaN材料体系内部自身的高吸收率影响。

对于激光器在照明应用中的另外一种可行的方法是VSCEL阵列在低功率应用时只需启动部分器件单元即可。 

Chow说道：“我们现在可以通过控制发光二极管的开启数量来实现LED照明高低亮度的调节模式”。他还指出：采用纳米激光器要比采用单一的VCSEL更为节能，器件结构更为简单，因为纳米激光器不需要大的电流注入。 

Chow目前正致力于将他的模拟计算研究成果向纳米激光器的多模运行方面扩展。

与LED和VCSEL不同，新型纳米激光器具有宽的工作电流范围和高的量子效率。

W. Chow et. al. Appl. Phys. Lett. 107 141107 (2015)