全球氮化鎵激光器材料及器件研究現(xiàn)狀

劉建平 楊輝

氮化物半導(dǎo)體材料，也稱為氮化鎵（GaN）基材料，是繼硅（Si）、砷化鎵（GaAs）之后的第3代半導(dǎo)體材料，包含了GaN、氮化鋁（AlN）和氮化銦（InN）及它們的合金（禁帶寬度范圍為0.7～6.2eV），是直接帶隙半導(dǎo)體，是制作從紫外到可見光波段半導(dǎo)體激光器的理想材料。半導(dǎo)體激光器具有體積小、效率高、壽命長和響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，在信息科技等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，是光電子產(chǎn)業(yè)的龍頭產(chǎn)品。氮化鎵激光器在激光顯示、激光照明、水下通信、生物醫(yī)學(xué)等民用及軍用領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。

一、GaN基激光器的應(yīng)用

GaN基半導(dǎo)體激光器目前最引人注目的應(yīng)用是激光顯示。由于激光的高色純度，按三基色合成原理在色度圖上形成的色度三角形面積最大，色域覆蓋了自然色彩的90%，而目前液晶電視、等離子體電視僅能達(dá)到40%，因而激光顯示的圖像具有更大的色域、更高的對比度，可以更真實(shí)地再現(xiàn)客觀世界豐富、艷麗的色彩，更具表現(xiàn)力（見圖1）。激光顯示甚至被稱為“人類視覺史上的革命”，在電視、家庭影院和投影機(jī)等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。

在GaN基藍(lán)光和綠光激光器研制成功以前，激光顯示采用的激光光源為全固態(tài)激光器。相對于全固態(tài)激光器，半導(dǎo)體激光器具有很多優(yōu)勢，比如體積小、效率高、成本低、壽命長、波長連續(xù)可調(diào)、易調(diào)制等。因此隨著GaN基藍(lán)光和綠光激光器的發(fā)展和成熟，激光顯示的激光光源正被直接半導(dǎo)體激光器所取代。三基色中的紅光激光器采用AlGaInP紅光激光器，而藍(lán)光（445～450nm）和綠光（520～530nm）激光器則為GaN基激光器。2005年，Sony公司開發(fā)出了以GaN基藍(lán)光激光器為光源的背投電視。2007年，上海三鑫科技發(fā)展有限公司采用GaN基藍(lán)光激光器開發(fā)出了微型激光投影機(jī)。2014年，海信集團(tuán)推出了采用GaN基藍(lán)光激光器的激光影院系統(tǒng)。

GaN基紫光激光器波長短，可以用在光盤存儲(chǔ)領(lǐng)域，增加光盤的存儲(chǔ)容量。以通用的5英寸雙面光盤為例，采用波長為670～690nm的紅光半導(dǎo)體激光器，光盤存儲(chǔ)容量為2.6GB，如采用波長為405nm的GaN激光器，相同尺寸光盤容量可達(dá)20GB以上，隨著GaN基激光器輸出功率的增加，光盤上數(shù)據(jù)層數(shù)也可相應(yīng)地增加，其數(shù)據(jù)容量也可成倍地增加，Sanyo Electric公司發(fā)布的激光二極管，脈沖輸出功率為450mW，激光器可以以12倍速寫入4層數(shù)據(jù)，光盤容量可達(dá)100 GB。

GaN基紫光激光器也可以在高分辨激光打印和印刷制版中大顯身手。激光打印機(jī)可以直接從計(jì)算機(jī)中接收文字或圖像，因此可以大大節(jié)省時(shí)間，加快速度，大幅度減少打印對環(huán)境帶來的污染。目前激光打印機(jī)普遍采用紅光激光器（808nm）作為激光光源。相對于紅光激光器，GaN基紫光激光器（405nm）具有更短的工作波長，可獲得更小的衍射光斑，因此采用GaN基紫光激光器（405nm）作為激光光源，可以提高激光打印的分辨率，獲得更高的印刷品質(zhì)。

GaN基激光器除了在上述民用領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用之外，在軍事領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景。波長470～540nm的藍(lán)綠光在海水中具有較低的吸收系數(shù)，因而具有較強(qiáng)的穿透能力，其傳播距離可達(dá)600m，可用于深海探測和對潛通信。有研究表明，煙霧對紫光激光和紅色激光的散射比不同，因而GaN基紫光激光器還可以用作具有抗煙霧干擾能力的激光引信。

隨著GaN基激光器技術(shù)的日漸成熟、波長范圍的不斷擴(kuò)展和輸出功率的逐步增加，有理由相信一定會(huì)開辟出越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域，其市場規(guī)模將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。

二、GaN基激光器研究現(xiàn)狀

國際上，自1996年12月日本日亞（Nichia）公司研制成功世界上第一只室溫連續(xù)激射的GaN基紫光激光器以來，眾多研究機(jī)構(gòu)投入巨資進(jìn)行GaN激光器的研究。近幾年，受激光顯示巨大市場需求的推動(dòng)，GaN基激光器的研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向藍(lán)光和綠光激光器。

1.紫光激光器

波長為405nm左右的紫光激光器是最早研制成功的GaN基激光器，其最大的應(yīng)用是高密度光學(xué)存儲(chǔ)。1995年，日本Nichia公司研制出世界上第一個(gè)GaN基紫光激光器。1999年1月12日，Nichia公司宣布GaN基紫光激光器的商品化，波長400nm，工作電流40mA，工作電壓5V，輸出功率5mW，室溫連續(xù)工作壽命超過10 000h。

雖然紫光激光器的技術(shù)已經(jīng)成熟，但激光器輸出功率相對較小，效率較低。目前很多研究都是圍繞提升激光器的輸出功率和效率展開的。2003年，Sony公司報(bào)道了單管GaN基激光器連續(xù)工作輸出功率高達(dá)0.94W，陣列功率高達(dá)6.1W。Nichia公司的網(wǎng)站上亦銷售連續(xù)工作輸出功率達(dá)10W的GaN基激光器陣列。GaN基紫光激光器的另一個(gè)發(fā)展方向是在醫(yī)學(xué)上有重要用途的皮秒激光器。2012年，Sony公司通過激光器鎖模和光放大器，實(shí)現(xiàn)了405nm、300W和1GHz重復(fù)頻率的脈沖激光。

在國內(nèi)方面，2004年中科院半導(dǎo)體所和北京大學(xué)研制出GaN基紫光激光器。2010年中科院半導(dǎo)體所采用自支撐GaN襯底，進(jìn)一步提升了激光器性能，實(shí)現(xiàn)了閾值電流密度2.4kA/cm2，閾值電壓6.8V，激射波長413.7nm的GaN基紫光激光器。

2.藍(lán)光激光器

由于GaN基藍(lán)光和綠光激光器在激光顯示等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景，很多研究機(jī)構(gòu)都致力于將激光器的激射波長擴(kuò)展至藍(lán)光和綠光范圍。相對于紫光激光器，GaN基藍(lán)綠光激光器的難點(diǎn)在于：①量子阱In組分增加，導(dǎo)致更大的In組分分布不均勻和應(yīng)變，使激光器增益譜變寬，峰值增益下降；②量子阱In組分增加，熱穩(wěn)定性變差，在p型光學(xué)限制層生長過程中發(fā)生熱退化，材料質(zhì)量變差；③量子阱In組分增加導(dǎo)致極化電場增加，量子阱內(nèi)電子和空穴波函數(shù)重疊下降，輻射復(fù)合幾率下降；④由于折射率的色散，在相同限制層和波導(dǎo)層的情況下，激光器的限制因子隨著波長的增加而減小，導(dǎo)致激光器模式增益降低。因此，為增加激光器的激射波長，需要對激光器的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，采用InGaN波導(dǎo)，增加激光器的限制因子；同時(shí)提高生長技術(shù)，優(yōu)化有源區(qū)和p型層的生長條件，降低激光器結(jié)構(gòu)材料缺陷。

1999年9月，Nichia公司首次報(bào)道了橫向外延GaN襯底上生長的單量子阱藍(lán)光激光器，其激射波長為450nm，閾值電流密度和電壓分別為4.6kA/cm2和6.1V，室溫下輸出5mW時(shí)壽命為200h。2001年3月，Nichia公司采用InGaN材料作為波導(dǎo)層，增強(qiáng)光學(xué)限制；同時(shí)改善有源區(qū)的晶體質(zhì)量，器件的閾值電流密度下降為3.3kA/cm2，閾值電壓降低到4.6V，50℃輸出5mW時(shí)器件壽命達(dá)到3 000h。隨著外延、芯片和散熱封裝技術(shù)的不斷提升，激光器的輸出功率和壽命在不斷增加。2013年，Nichia公司報(bào)道了連續(xù)輸出3.75W的藍(lán)光激光器，激光器的閾值電流為225mA，閾值電流密度小于1kA/cm2。在市場上，Nichia公司已推出3.2W的藍(lán)光激光器。Osram公司藍(lán)光激光器的研究相對較晚，但發(fā)展迅速。2013年Osram公司報(bào)道了最大輸出功率高達(dá)4W的藍(lán)光激光器。目前，Osran公司已經(jīng)在市場中推出連續(xù)輸出1.6W的藍(lán)光激光器產(chǎn)品。

在國內(nèi)，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生所率先研制出GaN藍(lán)光激光器， 目前藍(lán)光激光器光功率達(dá)到500mW，如圖2所示。并成立蘇州納睿光電有限公司進(jìn)行GaN激光器的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，目前50～100mW的藍(lán)光激光器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

3.綠光激光器

綠光激光器是激光顯示三基色光源之一，隨著激光顯示技術(shù)的發(fā)展和GaN基藍(lán)光激光器在激光顯示技術(shù)上的成功應(yīng)用，對GaN基綠光激光器的需求變得更加地迫切，氮化鎵綠光激光器是目前氮化鎵器件研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

實(shí)現(xiàn)氮化鎵綠光激光器存在2大難點(diǎn)，第1個(gè)難點(diǎn)是生長高量子效率的綠光InGaN量子阱有源區(qū)，要實(shí)現(xiàn)綠光激射，InGaN量子阱的In組分需要達(dá)到約33%，提升高In組分InGaN量子阱的發(fā)光效率難度很大，在激光器結(jié)構(gòu)中尤其困難；第2個(gè)難點(diǎn)是InGaN量子阱組分和界面不均勻，導(dǎo)致發(fā)光非均勻展寬，激光器光學(xué)峰值增益下降。由于難度大，國際上的相關(guān)研究直到2009年才取得了突破，日本Nichia公司和德國歐司朗（Osram）公司率先實(shí)現(xiàn)了綠光激光器的室溫連續(xù)激射。

Nichia、Osram等公司在研制成功藍(lán)光激光器之后，開始致力于GaN基綠光激光器的研究。2009年，Nichia公司和Osram公司在c面GaN綠光激光器的研究中取得突破。2009年1月， Osram公司率先實(shí)現(xiàn)了c面GaN襯底上激射波長大于500nm的綠光激光器，閾值電流密度為6.2kA/cm2，斜率效率為0.65W/A。2009年5月，Nichia公司報(bào)道了激射波長為510～515nm的綠光激光器，閾值電流密度為4.4kA/cm2，閾值電壓為5.2V、25℃連續(xù)輸出5mW時(shí)激光器推測壽命超過5 000h。2010年，Osram公司報(bào)道了c面室溫連續(xù)工作、激射波長為524nm的綠光激光器，閾值電流為97mA，斜率效率達(dá)到0.336W/A，輸出50mW時(shí)激光器電光轉(zhuǎn)換效率為2.3%。2012年2月，Osram公司報(bào)道了激射波長為519nm的長壽命綠光激光器，其連續(xù)輸出最大功率超過100mW，電光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到6%，40℃輸出50mW時(shí)激光器壽命達(dá)到了10 000h。2013年，Osram報(bào)道了250mW激射波長520nm的綠光激光器。Nichia公司在綠光激光器的研究方面亦進(jìn)步迅速，2013年報(bào)道了輸出功率高達(dá)1.01W的綠光激光器。

在國內(nèi)，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生所在2014年率先研制出GaN綠光激光器，其光功率-電流曲線如圖3所示，閾值電流密度為8.5kA/cm2，斜率效率為0.22W/A。圖4所示為其激射光譜，激射波長為508nm。

4.半極性面和非極性面激光器

由于c面為GaN的極性面，InGaN量子中的極化電場高達(dá)每厘米幾兆伏，隨著激射波長的增加，量子阱In組分進(jìn)一步增加，極化電場亦增加，在綠光波段，量子阱中的In組分高達(dá)30%以上，QCSE已嚴(yán)重影響了載流子的復(fù)合幾率，限制了GaN基綠光激光器的發(fā)展。半極性面或非極性面上的極化電場較小，QCSE的影響較弱。另外根據(jù)Park等人的報(bào)道，一些半極性面或非極性面上量子阱的重空穴帶和輕空穴帶分離，使量子阱具有更高的材料增益，因此加州大學(xué)圣芭芭拉分校（UCSB）、日本羅姆公司（Rohm）、（住友電子）Sumitomo electric、美國索拉公司 （Soraa）等機(jī)構(gòu)致力于半極性面和非極性面GaN基綠光激光器的研究。

2009年，Rohm公司率先報(bào)道了激射波長大于500nm的非極性面GaN激光器，閾值電流密度為3.1kA/cm2，連續(xù)輸出15mW時(shí)激射波長為500.2nm。Sumitomo公司后來居上，于2009年7月報(bào)道了激射波長為531nm的綠光激光器，采用（20-21）面自支撐GaN襯底，閾值電流密度為15.4kA/cm2。2010年7月，該公司實(shí)現(xiàn)了半極性面（20-21）面脈沖激射波長為533.6nm的激光器和連續(xù)激射波長為523.3nm激光器。2012年6月，該公司在半極性面（20-21）面GaN襯底上實(shí)現(xiàn)了連續(xù)激射波長為525nm、輸出功率50mW的長壽命綠光激光器。2010年11月，Soraa公司報(bào)道了激射波長為521nm的綠光激光器，連續(xù)工作輸出60mW時(shí)，激光器電光轉(zhuǎn)換效率為1.9%。

目前半極性面和非極性面上的GaN基材料質(zhì)量沒有c面GaN好，另外半極性面和非極性面GaN襯底尺寸較小，價(jià)格非常昂貴，這些都阻礙了半極性面和非極性面激光器的發(fā)展，目前半極性面和非極性面激光器還未實(shí)現(xiàn)商品化。

5.紫外光激光器

紫外光激光器在生物和醫(yī)學(xué)等方面存在很多應(yīng)用。相對于紫光激光器，紫外光激光器的研究難度更大。隨著激光器的波長向短波方向發(fā)展，激光器量子阱需要采用AlGaN材料，光學(xué)限制層中的Al組分需相應(yīng)增加，高質(zhì)量的AlGaN材料很難生長，因此AlGaN量子阱的效率較低，且Mg受主在p-AlGaN中的電離能隨著Al組分的增加而增加，因此p-AlGaN的電阻率很大，激光器的工作電壓非常高，這些都使得紫外光激光器很難實(shí)現(xiàn)激射。

1996年6月，日本的I.Akasaki等人采用分別限制結(jié)構(gòu)成功實(shí)現(xiàn)了 376nm的單量子阱激光器室溫脈沖激射，閾值電流密度為3.0kA/cm2，閾值電壓為16V。2001年5月，Nichia公司報(bào)道了第一個(gè)連續(xù)工作的GaN基紫外光激光器。激光器的有源區(qū)為AlInGaN單量子阱，脈沖激射波長為366.4nm，室溫連續(xù)工作的閾值電流密度為3.5kA/cm2，閾值電壓為4.8V。輸出2mW時(shí)激光器的壽命估計(jì)為500h。2001年6月，Nichia公司報(bào)道了量子阱為GaN材料的單量子阱紫外激光器，室溫連續(xù)工作波長為369nm，閾值電流密度為3.5kA/cm2，閾值電壓為4.6V，輸出2mW時(shí)激光器的壽命估計(jì)為2 000h。為繼續(xù)向短波方向拓展（<361nm），一部分學(xué)者采用AlGaN材料作為量子阱。2008年12月，Hamamatsu Photonics公司報(bào)道了迄今為止電注入激射波長最短的紫外光激光器，脈沖工作波長為336nm，閾值電流密度為17.6kA/cm2，閾值電壓為34V。另一部分學(xué)者采用窄GaN量子阱的方法來減小量子阱中的極化效應(yīng)，減少能帶彎曲，從而縮短激光器的工作波長。2013年，Hamamatsu Photonics公司采用1～1.5nm的GaN多量子阱，實(shí)現(xiàn)了340nm激光器的室溫脈沖激射，激光器的閾值電流密度為15.4kA/cm2，閾值電壓為27.9V。

三、GaN基激光器材料研究現(xiàn)狀

GaN材料中的缺陷密度高低直接決定了激光器壽命的長短：缺陷密度越低，激光器的壽命越長。為了實(shí)現(xiàn)低缺陷密度的GaN材料，一般以低缺陷密度的GaN自支撐單晶襯底作為起始材料，進(jìn)行激光器外延結(jié)構(gòu)生長和工藝制備。

生長GaN自支撐單晶襯底材料方法包括高溫高壓法（high pressure nitrogen solution，HPNS）、氨熱法（Ammonothermal growth）、鈉助熔劑法（Na flux method）和氫化物氣相沉積（Hydride vapor-phase epitaxy，HVPE）方法。前3種方法，高溫高壓法、氨熱法和鈉助熔劑法，要么需要高溫高壓設(shè)備，要么需要鈉鉀等活性熔融體，危險(xiǎn)性大，研究單位少。在開始十多年時(shí)間都只能獲得10mm大小的晶體，基本不能夠作為襯底使用，主要用于材料基本性質(zhì)的研究。

HVPE厚膜生長技術(shù)由于其具有設(shè)備相對簡單、成本低、生長速度快等優(yōu)點(diǎn)，可以生長均勻、大尺寸GaN/Al2O3厚膜襯底。目前報(bào)道的最高生長速度可以達(dá)到800μm/h，無裂紋厚度可以達(dá)到300μm以上，而且位錯(cuò)密度可以降低到106～107/cm2。然后，通過襯底分離技術(shù)可得到自支撐GaN襯底。近10年來，國際上用HVPE法制備自支撐GaN襯底取得極大的進(jìn)展，已有多個(gè)研究單位報(bào)道制備出自支撐GaN襯底。其中日本的氮化鎵襯底開發(fā)較早，一直處于世界前列。美國、法國、中國的氮化鎵襯底開發(fā)起步相對較晚，但是近年來進(jìn)展較快，與日本的差距正在日益縮小。

日本的半導(dǎo)體工業(yè)巨頭住友電工、日立電纜等企業(yè)，在20世紀(jì)90年代就開始了氮化鎵自支撐襯底的研發(fā)，其中住友電工主要采用GaAs襯底，用SiO2作納微米級(jí)掩膜，制備出直徑2英寸、缺陷密度為2×106/cm2的自支撐GaN襯底，住友電工已使用該方法實(shí)現(xiàn)了2英寸自支撐GaN的小批量生產(chǎn)。日立電纜采用了“間隙形成剝離法（VAS：Void Assisted Separation）”技術(shù)制備2英寸氮化鎵晶片。該技術(shù)首先是在藍(lán)寶石基板與GaN形成層之間插入納米級(jí)網(wǎng)眼狀氮化鈦膜，在這層氮化鈦膜上生成GaN單晶膜，從而能簡單地剝離大面積的GaN晶體，而不使GaN晶片受到任何損傷。除了日本以外，美國的Kyma公司、法國的Lumilog公司也相繼實(shí)現(xiàn)了2英寸氮化鎵襯底的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。

我國氮化鎵晶片的研制從“九五”開始一直持續(xù)得到了國家863項(xiàng)目、自然基金項(xiàng)目的支持，南京大學(xué)、中科院半導(dǎo)體所、北京大學(xué)等在氮化鎵的氫化物氣相外延生長（HVPE）研究方面取得很大進(jìn)展。由于高品質(zhì)的厚氮化鎵晶片生長難度太大，在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面一直沒有能夠取得關(guān)鍵突破。中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所、蘇州納維科技有限公司自2007年成立以來，一直致力于氮化鎵襯底的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。通過7年多的努力，在氮化鎵晶片的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)上取得重要突破，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了2英寸氮化鎵襯底晶片的穩(wěn)定生產(chǎn)，缺陷密度最低可達(dá)104/cm2，晶體質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到了國際先進(jìn)水平，支撐了蘇州納米所藍(lán)綠光半導(dǎo)體激光器的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化推廣。