紫外GaN激光二极管高温特性研究：揭示T0=194 K与T1=825 K的优异热稳定性

《IEEE Photonics Journal》：Investigation of High Temperature Characteristics in UV-A GaN Laser Diodes

本刊推荐：针对紫外GaN激光二极管(LD)在高温下阈值电流密度(Jth)升高、效率下降等问题，研究人员开展了UV-A GaN LD的高温特性研究。通过表征特征温度T0(阈值)和T1(效率)，首次报道了376 nm LD的T0=194 K、T1=825 K的优异结果，表明器件具有极高的温度稳定性，对高功率光谱学和量子计算应用具有重要意义。

　　

在光谱分析、量子计算和医疗手术等尖端科技领域，紫外激光二极管(Laser Diode, LD)如同精准的光学手术刀，能够提供特定波长的强激光输出。然而，这类器件尤其是发射波长更短的紫外激光二极管，在工作时需要极高的电流密度，这会导致器件自身产生显著热量。温度升高会引发一系列连锁反应：激光阈值电流密度攀升、效率下降、发射波长漂移，最终影响器件的稳定性和寿命。目前商用的紫外激光二极管最高工作温度通常仅为25°C-35°C，严重依赖主动冷却系统，这限制了其在更广泛应用场景下的潜力。尽管氮化镓(GaN)及其合金材料因其宽直接带隙等优点成为紫外激光二极管的理想材料，但对其热特性的深入理解仍显不足。

为了解决这一关键问题，由Matthew Seitz和Jing Zhang等人组成的研究团队在《IEEE Photonics Journal》上发表了他们的最新成果，系统研究了一种室温发射波长为376 nm的紫外GaN激光二极管的高温特性，并首次全面报道了其表征热稳定性的关键参数——特征温度。

研究人员主要采用了金属有机化学气相沉积(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)技术在c面GaN衬底上生长激光二极管外延结构，并通过标准光刻、干法刻蚀、介质层沉积和金属化等工艺制备出脊形波导结构的激光二极管器件。制备完成的器件以芯片正面朝上(epi-side up)的方式焊接在氮化铝(AlN)基板上以改善散热。表征测试在脉冲条件下进行（脉冲宽度200 ns，重复频率2 kHz），以最小化测试过程中的自热效应，利用激光二极管驱动源、示波器、光谱仪和积分球探测器等设备，在20°C至60°C的温度范围内测量了器件的电流-光输出功率(J-L)特性、阈值电流密度、微分效率以及发射光谱。

III. 结果与讨论

A. 阈值电流密度与特征温度T₀

通过测量不同温度下的J-L曲线，研究人员获取了器件的阈值电流密度(J_th)。室温(20°C)下，器件的阈值电流密度为3.67 kA/cm²。随着温度升高，J_th明显增加。通过拟合J_th(T) = J₀exp(ΔT/T₀)模型，计算出该器件的特征温度T₀高达194 K。这个数值高于文献中报道的类似AlGaN/GaN近紫外激光二极管的结果（90-167 K），表明该器件的阈值电流对温度变化的敏感度较低，热稳定性优异。阈值电流的升高主要归因于载流子能量分布展宽和载流子泄漏加剧。

B. 微分效率与特征温度T₁

微分效率（斜率效率）是衡量激光二极管将注入电流转换为输出光功率效率的关键参数。研究发现，器件的微分效率随温度升高而下降。通过η_d(T) = η₀exp(-ΔT/T₁)模型拟合，得出特征温度T₁为825 K。这是一个非常高的数值，远高于以往文献中对类似InGaN/AlGaN紫外激光二极管的报道，表明该器件的能量转换效率在不同温度下能保持高度稳定。

C. 光谱特性

光谱分析显示，室温下器件在阈值以上工作时，峰值发射波长为375.8 nm，光谱半高宽(FWHM)窄至1.2 nm，表明良好的单色性。在不同温度下（驱动电流固定为1.2*I_th）测试发现，峰值发射波长随温度升高发生红移，从20°C时的375.8 nm移至60°C时的379.0 nm，温度系数约为0.08 nm/K。这种较小的波长漂移对于需要精确波长稳定的应用（如光谱学）非常有利。

IV. 结论

本研究首次对一款紫外GaN激光二极管进行了特征温度T₀和T₁的全面测量与报告。该器件采用非故意掺杂GaN波导层和AlGaN包层，室温发射波长为376 nm。实验结果表明，其T₀高达194 K，T₁更是达到了825 K的极高水平。这些数据充分证明了该激光二极管在宽温度范围内具有卓越的工作稳定性，其阈值电流和效率受温度影响很小。这一研究为高功率紫外激光二极管的热特性提供了重要的见解，对于需要在精确波长下获得高光学输出功率的应用领域，如光谱学和量子计算，具有重要的指导意义。