半導體激光晶元材料國產化機遇與挑戰

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激光晶元技術

半導體激光器俗稱激光二極體，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。

電注入式半導體激光器

一般由GaAS、CdS、InP、ZnS等工作物質作為主要材料，製成半導體面結型二極體，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。

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，並通過其他激光器發出的激光作pump激勵，從而實現種群反演。

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。

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行業背景

自1962年發明了世界上第一台半導體激光器以來，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。

近年來用於信息技術領域的小功率半導體激光器發展極快。如用於光纖通信的DFB和動態單模的激光二極體以及在光碟處理中大量應用的可見光波長的激光二極體，甚至是超短脈衝的激光二極體都得到了大幅度的革新性進步。

小功率激光二極體其自身還擁有這高集成、高速率以及可調諧的發展特徵。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，獨立的激光二極體的輸出功率已經在100mW以上，並達到了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。

目前各國在研製項目的支持下，半導體激光器的晶元結構、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，很低的光束髮散角，單巴條連續輸出功率超過千瓦，採用碳納米(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。

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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、易於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、激光印表機等獲得廣泛應用，範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列印、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。

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，徐州市十大傑出青年，徐州市勞動模範。主要從事半導體激光晶元材料外延及器件應用方面的研究。

來源：材能遇見理

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