半導體激光芯片材料國產化機遇與挑戰

來源:材能遇見理    關鍵詞:半導體激光芯片, 小功率激光二極管,    發布時間:2019-06-19

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報告人簡介:

羅帥,工學博士,中國科學院半導體所副研究員,江蘇華興激光科技有限公司總經理,國家“萬人計劃”,科技部科技創新創業人才,江蘇省雙創博士,江蘇省“雙百工程”拔尖人才,徐州市十大杰出青年,徐州市勞動模范。主要從事半導體激光芯片材料外延及器件應用方面的研究。在Opt.Express,IEEE Photon,Technol.Lett等國際刊物上已發表SCI論文20余篇,重要國際,國內會議論文20余篇。申請發明專利6項,獲授權2項;實用新型專利5項,獲授權3項。主持或參與完成多項國家及省級研發項目,包括國家自然科學基金,北京市科委項目,973國家重大研究計劃,國家重點研發計劃戰略性先進電子材料重點專項及及江蘇省重點專項等。2016年羅帥博士創建了江蘇省華興激光科技有限公司。

激光芯片技術

半導體激光器俗稱激光二極管,因為其用半導體材料作為工作物質的特性所以被稱為半導體激光器。半導體激光器由光纖耦合半導體激光器模塊、合束器件、激光傳能光纜、電源系統、控制系統及機械結構等構成,在電源系統和控制系統的驅動和監控下實現激光輸出。半導體激光器的常用工作物質主要有砷化鎵(GaAs)、硫化鎘(CdS)、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等。根據不同的工作物質主要有三種激勵方式:電注入,pump式和高能電子束激勵。

(1)電注入是半導體激光器,一般由GaAS、CdS、InP、ZnS等工作物質作為主要材料,制成半導體面結型二極管,在受到電注入時,沿著正向偏壓注入的電流,對工作物質進行激勵,從而在節平面區域產生受激發射。

(2)Punp式激光器,一般由晶體中摻入受主雜的的以空穴為載流子的鍺單晶(P型半導體單晶)或以電子為載流子的鍺單晶(N型半導體單晶)作為工作物質,并通過其他激光器發出的激光作pump激勵,從而實現種群反演。

(3)高能電子束激勵式半導體激光器,一般在工作物質的選擇上與pump式激光器相似,也是選用半導體鍺單晶,但值得注意的問題是,在P型半導體單晶的選擇上高能電子束激勵式半導體激光器主要以PbS。CbS和ZnO為主。

行業背景

自1962年發明了世界上第一臺半導體激光器以來,半導體激光器發生了巨大的變化,極大地推動了其他科學技術的發展。

近年來用于信息技術領域的小功率半導體激光器發展極快。如用于光纖通信的DFB和動態單模的激光二極管以及在光盤處理中大量應用的可見光波長的激光二極管,甚至是超短脈沖的激光二極管都得到了大幅度的革新性進步。

小功率激光二極管其自身還擁有這高集成、高速率以及可調諧的發展特征。大型高功率半導體激光器的發展速度也不斷加快。

在上世紀八十年代,獨立的激光二極管的輸出功率已經在100mW以上,并達到了39%的轉化效率。等到了90年代,美國人又一次將指標提高一個新的水平,達到了45%的轉化效率,就輸出功率來看,也從W到了KW級的轉變。

目前各國在研制項目的支持下,半導體激光器的芯片結構、外延生長和器件封裝等激光器技術均有了長足發展,單元器件的性能也實現了重大突破:電光轉換效率達70%以上,很低的光束發散角,單巴條連續輸出功率超過千瓦,采用碳納米(CN)熱沉使激光器的冷卻效率比傳統的半導體巴條安裝技術可提高30%。100μm條寬單管輸出功率達到24.6W,大功率連續工作壽命長達數萬小時。

高效能大功率的半導體激光器也迅速發展為全固化激光器,從而使得LDP固體激光器獲得了全新的發展機遇和前景。

應用與市場

半導體激光器具有體積小、重量輕、壽命長、運轉可靠性高、能耗低、電光轉換效率高、易于大規模生產以及價格較低廉等優點,在CD激光唱片機、光纖通信、光存儲器、激光打印機等獲得廣泛應用,范圍覆蓋了整個光電子學領域。

隨著技術的不斷發展和突破,半導體激光器正向發射波長更短、發射功率更大、超小型、長壽命的方向發展,以滿足各種應用的需要,產品種類日益豐富。在激光加工、3d打印、激光雷達、激光測距、軍事、醫療和生命科學等方面也得到了大量應用。另外,通過耦合進光纖進行傳輸,大功率直接半導體激光器在切割和焊接領域得到了廣泛應用。

目前,全球半導體激光器市場規模較大,從2012年的35.4億美元增加值至2017年的53.1億美元,年復合增長率為8.4%。

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