日本全球最高水平绿色半导体激光器：LED实现5倍光输出

　　索尼和住友电气工业（以下简称住友电工）试制出了具备“全球最高水平光输出功率”（两公司）的绿色半导体激光器。在振荡波长为530nm波段的“纯绿色” 波长领域，连续振荡时可输出100mW以上的输出功率（图1）。该数值与在相同波长范围振荡的原绿色半导体激光器相比，光输出功率为“2倍以上”（两公司）。

　　

　　索尼和住友电工试制的绿色半导体激光器

　　

　　图1：以532nm的振荡波长实现100mW的输出功率

　　索尼和住友电工试制出了与其他公司的原产品相比可实现2倍以上光输出的绿色半导体激光器。例如，在532nm的振荡波长下，输出功率超过了 100mW（a）。该波长的光输出功率所占的比例相对于输入功率高达7.5％（b）。阈值电压只有4.7V也是一大特点（c）。（图由本刊根据索尼的资料制作）

　　绿色半导体激光器此前一直面向投影仪光源等推进研究开发。因为绿色半导体激光器可扩大影像的色彩表现范围、缩小投影仪的尺寸等。

　　在投影仪光源中，红色和蓝色半导体激光器已经推出高输出功率产品。而绿色半导体激光器只有振荡波长为520nm左右、在绿色波段中也属于短波长的产品。能直接振荡530nm波段绿色激光的半导体激光器之前的光输出功率比较小，未能实现产品化。因此，此前一直通过使红外激光通过SHG结晶*，或者利用荧光材料转换成蓝色激光的波长来获得绿色激光。

　　*SHG结晶＝可获得入射激光2倍的频率、即一半波长激光的非线性结晶。

　　如果能直接实现高功率的绿色半导体激光器，无需进行波长转换的话，有助于投影仪降低成本、削减耗电量及实现小型化，为此各企业和研究机构等积极进行了研究开发。

　　此次开发的530nm波段绿色激光器试制品在连续振荡时的光输出功率为100mW，可用于亮度约为20lm的超小型投影仪。不仅是光输出功率，转换效率、工作温度范围、振荡阈值及寿命等也达到了实用化水平。例如，光输出功率相对于输入功率的比例（WPE）在532nm的激光振荡时为7.5％，“与 SHG激光器相当”（索尼）。

　　阈值电压也只有4.7V。实现了实用化要求的5V以下。工作温度方面，外壳温度为80℃，可进行脉冲振荡等，与用于蓝光光盘光源的蓝紫色半导体激光器产品相当。

　　寿命也比较长。在55℃的外壳温度下以50mW连续振荡时，估计寿命（达到初期电流值1.3倍的时间）超过了5000小时。各种性能参数均已超过实用水平，“虽然不便透露具体时间，不过打算为量产做准备”（索尼）注1）。

　　注1） 今后，索尼计划量产绿色半导体激光器，住友电工计划量产用于该激光器的GaN基板。据称住友电工正在考虑是否生产该激光器。

　　通过改变结晶面实现

　　此次之所以能试制出实用水平的绿色半导体激光器，是因为利用了被称为GaN结晶的“半极性面”的结晶面（图2）。试制品在住友电工制造的GaN基板的半极性面上生成GaN类半导体结晶后制成。活性（发光）层采用InGaN。

　　

　　图2：利用半极性面

　　普通的InGaN类半导体激光器利用GaN结晶的c面。而索尼等试制的激光器利用相对于c面倾斜75度的半极性面。即｛2021｝的面方位（a）。利用可削弱GaN结晶中的电场影响的半极性面提高了效率（b）（图由本刊根据索尼的资料制作）

　　活性层采用InGaN的普通蓝紫色和蓝色半导体激光器，以GaN结晶的极性面c面为生长面，以其法线方向（c轴）为生长轴层叠GaN类半导体。但利用c面的话，因“压电电场”的影响，很难在蓝色波段的基础上使波长增长到绿色波段。

　　此次利用的半极性面是指相对c面倾斜75度的面。即利用了｛2021｝面。从理论上说，利用GaN结晶的半极性面能削弱压电电场的影响。虽然还有比｛2021｝面更能削弱压电电场的结晶面，但从易于提高结晶品质等理由考虑，选择了｛2021｝面。

　　其实住友电工2009年就试制出了采用该面的绿色半导体激光器，并成功实现了531nm的激光脉冲振荡。但在特性方面未能达到实用水平。之后，住友电工与拥有半导体激光器制造经验的索尼携手，对该激光器的构造、电极及结晶生长等整体制造工艺进行了改良，提高了激光器的性能。

　　关于量产时的课题基板，住友电工已开始样品供货口径最大扩大至2英寸的半极性GaN基板。

　　LED将实现5倍的光输出

　　通过改变GaN的结晶面，可以削弱压电电场的影响，提高效率和输出功率，因此不仅是激光器，很多企业和研究机构还开始将其应用到LED的研究开发方面。例如，韩国首尔半导体2012年7月发布的白色LED利用了被称为“无极性面”的、垂直于c面的结晶面。与原产品相比，此举将单位面积的亮度提高到了 5倍以上。