GaN基激光器的研究進展

張 洋， 徐 鵬

（上海理工大學 材料科學與工程學院，上海 200093）

GaN材料作為第三代半導體材料，有著更為獨特的性質(zhì)。通過對GaN及其多元合金AlGaN，AlGaInN組分的調(diào)節(jié)，可以得到0.7～6.2 eV連續(xù)可調(diào)的帶隙，理論上可以實現(xiàn)從紅外到深紫外波段的發(fā)光[1-2]。GaN基激光器具有廣泛的應(yīng)用，藍紫光激光器用于激光光盤儲存器，可以極大地增加光盤的儲存密度，藍光、綠光激光器相較于LED具有亮度高、光源效率高和體積小等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于激光照明與激光顯示領(lǐng)域。隨著激光器生長技術(shù)與制備工藝的不斷發(fā)展，激光器的閾值電流密度與電壓都在不斷下降，功率與壽命得到不斷提高，現(xiàn)有激光器的壽命可達上萬小時，已廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)。

1 GaN基激光器的應(yīng)用

GaN基激光器在激光顯示、激光打印、激光測量、激光照明以及通信等領(lǐng)域有非常廣闊的應(yīng)用前景。

1.1 激光顯示

由于激光有很多優(yōu)點，比如：發(fā)光定向性好、亮度高、顏色純、能量密度大等。激光可以作為顯示領(lǐng)域的杰出固態(tài)光源，其由高純度的紅、藍、綠三基色所構(gòu)成的激光光源圖像顯示技術(shù)，是投影顯示技術(shù)發(fā)展的趨勢所在。相比于其他顯示技術(shù)，激光顯示具有色域?qū)?、指向性好、光電轉(zhuǎn)換效率高、污染小、壽命長、體積小等優(yōu)點，是大型電視和投影機光源的最佳選擇[3]。使用紅色、藍色和綠色的激光二極管進行渲染使其顯示色域可達90%以上，比其他顯示技術(shù)顏色范圍的大2倍以上[4]。在2018年美國CES展上，海信公司發(fā)布了80/88/100/150英寸（1英尺=2.54 cm）等多種規(guī)格的激光電視[5]。2019 年春晚期間，深圳會場更是采用了54臺ALPD激光投影機，打造未來云巴車廂內(nèi)部投影，以及未來云軌車身及背景投影，投影總面積達 2 000 m2[6]。GaN 基激光器的激光顯示技術(shù)將引領(lǐng)未來顯示領(lǐng)域的發(fā)展走勢。

1.2 激光打印

熱敏打印機存在打印的紙張在靠近熱源時會變臟的問題。噴墨打印機打印速度慢，一次印刷面積很窄。而激光打印則沒有以上打印方式的缺點，其沒有特殊的紙張要求，打印成本低，打印面積廣，打印速度快。目前市面上的激光打印機，在打印單色文檔時，可達12 000頁/h，打印彩色文檔時，可達6 000頁/h。激光打印不同于傳統(tǒng)打印機的走紙方式，在單面和雙面打印時都有較快的速度體驗，逐漸取代市面上其他打印機。隨著激光打印技術(shù)的不斷普及，激光打印成為企業(yè)辦公中不可或缺的一項應(yīng)用技術(shù)。激光打印技術(shù)不僅應(yīng)用于平面打印，也可用于3D打印。2017年，美國研制出首臺飛秒激光3D打印機[7]。激光3D打印技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，在汽車、航空航天、醫(yī)療教育和工程建筑等方面都有十分重要的應(yīng)用。2019年3月，中國航天科工159廠[8]研制出當時國內(nèi)最大尺寸的選擇性激光燒結(jié)3D打印機，標志中國在激光3D打印領(lǐng)域也有了長足的進步。激光打印為人們生活的方方面面帶來了便利。

1.3 激光照明

1993年，GaN基藍光LED芯片被發(fā)明之后，人類進入了白光照明的新時代。LED照明發(fā)展至今，由于其本身的限制，已到了瓶頸期。激光照明因其自身的優(yōu)勢，成為取代LED照明的新寵。激光照明原理與LED照明相似，利用藍光激發(fā)熒光粉獲得黃光，利用黃光和藍光混合輸出白光。但激光照明相較LED照明，有亮度高、效率高和可調(diào)制性好等優(yōu)點。激光的發(fā)散角度小，這使得激光照明的光源效率達60%以上，遠高于LED的30%～40%的光源效率[9]。汽車大燈多使用激光照明，如奧迪、寶馬等廠商在最新款車型上均采用激光照明，其照射距離是LED照明的2倍，且尺寸僅相當于LED的1/5，這給汽車的外形提供了更大的設(shè)計空間。在投影方面，亮度在5 000流明以上的LED價格十分高昂，相比之下，激光照明則要便宜很多。而10 000流明以上的亮度更是激光照明的獨占領(lǐng)域，目前的LED照明技術(shù)對其望塵莫及。

2 GaN基激光器的研究進展

1995年，世界上第一支GaN基激光器由Nichia公司的Nakamura等[10]研制成功，如圖1所示。自此以第三代半導體GaN基激光器成為了半導體領(lǐng)域科研工作者研究的熱點。隨著研究的不斷進展與設(shè)備技術(shù)的不斷更新，使得GaN基激光器的性能和可靠性都有了不斷的提高。如今，市面上已經(jīng)成熟商用的GaN基激光器產(chǎn)品的波長已覆蓋紫光、藍光和綠光。

圖 1 InGaN 多量子阱激光器結(jié)構(gòu)[10]Fig. 1 Laser structure of InGaN multi-quantum well[10]

2.1 GaN基紫光激光器

1995年，Nichia公司利用雙流金屬有機化合物化學氣相沉積方法，在藍寶石的c面（0001）襯底上進行生長，如圖1所示，其使用增益波導結(jié)構(gòu)，得到了閾值電流為 1.7 A，閾值電壓為 34 V，激射電流密度為 4 kA/cm2，激射波長范圍為 410～417 nm 的GaN基紫光激光器，使GaN基激光器得到了零的突破[10]。1996年，Nakamura等[11]改變波導結(jié)構(gòu)為脊型，如圖2所示，實現(xiàn)了激光器閾值電流下降為增益波導結(jié)構(gòu)的一半，激射電壓下降為24 V。

圖 2 InGaN 多量子阱脊型激光器結(jié)構(gòu)[11]Fig. 2 Ridge laser structure of InGaN multi-quantum well[11]

1996年9月，其對p層的生長條件進行了優(yōu)化，同時改變了摻雜條件和工藝，使閾值電壓降為8 V，但其閾值電流密度高達 9 kA/cm2，導致該激光器的壽命僅 1 s[12]。1997 年，Nakamura等[13]對有源區(qū)進行Si摻雜，獲得了閾值電流密度為3.6 kA/cm2，閾值電壓為 5.5 V，輸出功率為 1.5 mW，壽命為 27 h的激光器。由于襯底的位錯密度對激光器的壽命影響較大，科學家開始改進生長條件來降低位錯密度進而延長激光器的使用壽命。1996年10月，Nakamura等[14]通過調(diào)制摻雜應(yīng)變層超晶格結(jié)構(gòu)，得到閾值電流密度5 kA/cm2，閾值電壓密度為6 V的激光器，其在室溫下壽命超過 10 000 h。1999 年，Nakamura等[15]報道實現(xiàn)在50 ℃的環(huán)境溫度下，5 mW恒定輸出功率下的激光二極管壽命超過1 000 h。在這些高功率和高溫操作條件下，估計壽命約為 3 000 h。至此，GaN基激光器的制備技術(shù)逐漸成熟，科研人員開始研究如何進一步的提高激光器的效率和輸出功率。2003年，Sony公司[16]和Nichia公司分別推出輸出功率為0.94 W和10.00 W的GaN基紫光激光器。2012年，Sony公司利用鎖模和光放大技術(shù)獲得了300 W功率和1 GHz重復頻率的藍紫光脈沖激光，其發(fā)光波長為405 nm[17]。國內(nèi)，中科院半導體所在2004年實現(xiàn)GaN基紫光激光器的首次室溫脈沖激射[18]。2007年實現(xiàn)連續(xù)激射[19]，2010 年實現(xiàn)閾值電壓為 6.8 V，閾值電流密度為 2.4 kA/cm2，激射波長為 413.7 nm 的 GaN 基紫光激光器[20]。2017年，北京中科院半導體所生長出尺寸為 10 μm×600 μm 脊型結(jié)構(gòu)的 GaN 基紫光激光器，其室溫條件下閾值電流密度和閾值電壓分別為：1.5 kA/cm2和 5.0 V，在電流密度為 4.0 kA/cm2時，輸出功率可達80 mW[21]。2018年9月，中科院半導體所報道室溫直流注入下藍紫激光二極管的受激發(fā)射波長和峰值光功率分別在413 nm和600 mW以上。此外，閾值電流密度和電壓分別為1.46 kA/cm2和4.1 V。而且，在室溫連續(xù)波工作下，壽命超過1 000 h[22]。

2.2 GaN基藍光和綠光激光器

GaN基藍光和綠光激光器相較于GaN基紫光激光器主要難點在于量子阱中In組份變高導致的激光器激射閾值增加[23]，熱穩(wěn)定性變差、有源區(qū)的生長對襯底位錯密度要求高等問題。因此，GaN基藍綠光激光器的生長，需要對激光器的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化、有源區(qū)的生長條件進行優(yōu)化等。1999年，Nichia公司[24]實現(xiàn)了激射波長為450 nm，閾值電壓為6.1 V，閾值電流密度為 4.6 kA/cm2，輸出功率為5 mW，室溫下工作壽命為200小時的GaN基單量子阱藍光激光器。2001年實現(xiàn)閾值電流密度3.3 kA/cm2，閾值電壓 4.6 V，壽命 3 000 h 的 GaN 基藍光激光器。2015年，Nichia公司報道的藍光激光器壽命達 25 000 h，其閾值電流密度為 0.68 kA/cm2，輸出功率為 4.1 W，峰值波長為 455 nm。2006年，Osram公司[25]報道了脈沖激光功率為3.4 W的藍光激光器。2015年，其藍光激光器輸出功率為4.1 W。2017年，由 Sony公司報道465 nm GaN基藍光激光器，在3.0 A條件下可實現(xiàn)輸出功率為5.2 W的連續(xù)工作，其光電轉(zhuǎn)換效率達37%，如圖3所示[26]。

2019年3月，Nakatsu等[27]研制出藍光激光器，在電流為3 A連續(xù)工作時，其電壓和輸出功率分別為4.03 V和5.25 W，光電轉(zhuǎn)換效率為43.4%。相較于GaN基紫光激光器和GaN基藍光激光器，綠光激光器在2008年由Nichia公司[28]進行首次報道，其閾值電流密度為 3.3 kA/cm2，激射波長為 488 nm。2009 年，實現(xiàn)了輸出功率 5 mW 下壽命達 5 000 h，激射波長為510～515 nm的綠光激光器[29]。2013年實現(xiàn)輸出功率1.01 W，激射波長為525 nm的大功率綠光激光器。2015 年實現(xiàn)壽命可達 25 000 h，激射波長為525 nm的綠光激光器。2017年12月，Sony公司[25]實現(xiàn)世界上首個530 nm，最大輸出功率可達2 W的GaN基綠光激光器，在1.2 A條件下可實現(xiàn)輸出功率1 W的連續(xù)工作。2019年3月，Nakatsu等[27]研制出532 nm綠光激光器，在電流為1.6 A時，其輸出功率為1.19 W，光電轉(zhuǎn)換效率為17.1%，此外，還報道成功制備出543 nm綠光激光器。國內(nèi)，于2009年由中科院半導體所首次實現(xiàn)藍光激光器脈沖激射，2012年中科院蘇州納米所實現(xiàn)藍光激光器連續(xù)激射。2014年，中科院蘇州納米所實現(xiàn)綠光激光器首次注入式激射，如圖4所示[30]。

圖 3 藍激光在 25 ℃ 下發(fā)射的連續(xù)激光光譜[26]Fig. 3 Continuous laser spectrum emitted by blue laser at 25 ℃[26]

圖 4 綠激光在閾值電流以下和以上的EL光譜[30]Fig. 4 EL spectra of green laser below and above threshold current[30]

2016年，中科院蘇州納米所生長的綠光激光器最低閾值電流密度為 1.8 kA/cm2，激射波長為 508 nm。

3 GaN基激光器可靠性研究進展

隨著GaN基激光器的不斷發(fā)展，人們對激光器的可靠性問題更加關(guān)注。高輸出功率、低閾值電流密度的激光器不斷被進一步報道，市場上商用的激光器日漸廣泛，但對激光器相關(guān)的退化機制研究仍舊不多。對于弄清激光器退化的原因及機制，從而消除或減少退化，以實現(xiàn)可靠性高的激光器是十分重要的。GaN基激光器主要有以下退化表現(xiàn)：伴隨著激光器工作時間的增加，激光器的電光轉(zhuǎn)換效率降低、發(fā)光效率會降低、電壓升高、波長發(fā)生移動以及光譜的半高寬產(chǎn)生變化等。此外，激光器在工作過程中的可靠性不僅受環(huán)境的溫度以及濕度等因素的影響，也和其自身材料的質(zhì)量、激光器的制作工藝和封裝結(jié)構(gòu)有關(guān)系。GaN基激光器的主要退化模式有：激光器封裝退化、激光器的靜電損傷、激光器腔面退化、激光器芯片退化等。

3.1 GaN基激光器的封裝退化

激光器的封裝好壞與否直接決定了一個激光器的壽命及工作時的可靠性。激光器在大電流密度環(huán)境下進行工作時，其電極的穩(wěn)定性就顯得十分重要。在長時間工作時，由于封裝的問題，電極所使用的金屬材料往往會和半導體材料之間發(fā)生擴散的現(xiàn)象，導致原先的歐姆接觸受到結(jié)構(gòu)上的破壞，影響電流注入。電極與半導體材料間也有可能在接觸層產(chǎn)生空洞等缺陷，影響電流注入。此外由于封裝所使用的材料與電極之間的熱膨脹系數(shù)差異，使激光器在受熱時，會產(chǎn)生熱應(yīng)力損傷激光器的結(jié)構(gòu)，如圖5所示[31-32]。

圖 5 未處理和 160 ℃ 處理的 LED 光學顯微照片[31]Fig. 5 Optical micrograph of the untreated and 160 ℃treated LED chips[31]

3.2 GaN基激光器的靜電損傷

靜電損傷是使電子器件產(chǎn)生失效的原因之一。半導體激光器在生產(chǎn)、測試、運輸及存儲過程中，由于材料以及儀器設(shè)備和使用者之間發(fā)生摩擦產(chǎn)生高達幾千伏的靜電電壓，致使激光器發(fā)生失效。靜電損傷造成的半導體激光器的失效通常具有以下模式：（1）突發(fā)性失效，通常會產(chǎn)生多個電參數(shù)的突然失常，失去正常工作功能，如開路、短路等；（2）潛在性失效，當帶電體的電勢較低時，一次靜電釋放不足使激光器發(fā)生突發(fā)性失效，但仍會對器件產(chǎn)生輕微損傷，這種損傷會積累下來，隨著靜電釋放次數(shù)的增加，器件的電參數(shù)會逐漸劣化，最終徹底失效。為保證激光器的正常工作需要對靜電損傷的進行防護[33]。

3.3 GaN基激光器的腔面退化

激光器中含有諧振腔，激光器在工作時，內(nèi)部諧振腔的可靠性對激光器的可靠性起著十分重要的作用。工作中的激光器，其諧振腔的溫度和光場相對較高，容易使激光器的腔面發(fā)生退化。腔面的退化可分為兩種：（1）突變性損傷；（2）緩慢性損傷。二者導致的結(jié)果相同，但退化的原因不同。突變型損傷通常是光輸出密度較高，致使局部受熱嚴重，使腔面發(fā)生氧化，以及產(chǎn)生缺陷，造成腔面損傷；較高的光輸出密度也會使增加腔面的光吸收，導致局部升溫，引發(fā)局部融化，最終形成腔面損傷。緩慢性損傷通常是由于器件的使用時間不斷增加，腔面出的缺陷不斷增加，使腔面附近產(chǎn)熱變多，增加的產(chǎn)熱進一步促使缺陷增加，如此反復累積，最終導致腔面退化損傷。此外，如圖6所示[34]，激光器的工作環(huán)境也會導致激光器發(fā)生腔面退化，如潮濕的環(huán)境。

圖 6 在水蒸氣環(huán)境下工作的半導體激光器的SEM圖[34]Fig. 6 SEM image of the semiconductor laser working in water vapor atmosphere[34]

3.4 GaN基激光器的芯片退化

激光器的芯片退化是最常見的激光器退化的原因。激光器的芯片退化常發(fā)現(xiàn)于壽命較長的激光器中，內(nèi)部的缺陷是導致其退化的主要原因。傳統(tǒng)的激光器芯片退化的缺陷主要有：點缺陷和位錯，如GaAs基激光器。GaN基激光器的芯片缺陷有點缺陷和穿透位錯，如圖7所示[35]。

圖 7 TEM 觀察到的短節(jié)狀位錯線[35]Fig. 7 Short segment dislocation lines observed by TEM[35]

GaN基激光器早期生長襯底為藍寶石，這使得芯片內(nèi)部會有大的穿透位錯，嚴重影響激光器的使用壽命。后使用外延技術(shù)生長的GaN基激光器很好的降低了位錯密度，是激光器的壽命達到了15 000 h。2006 年，Nagahama 等[36]對生長在 GaN 襯底上和SiC襯底上的激光器進行對比，觀察到激光器有源區(qū)非輻射復合中心會隨著穿透位錯的密度降低而降低，壽命隨穿透位錯密度降低而延長。Rossetti等[37]在2008年對用分子束外延方式生長的激光器進行退化研究時，發(fā)現(xiàn)有源區(qū)附近會產(chǎn)生位錯，通過微區(qū)光致發(fā)光光譜（photoluminescence spectroscopy, PL）觀察發(fā)現(xiàn)，位錯并未在其他區(qū)域分布，他們認為位錯的產(chǎn)生致使非輻射復合中心的濃度增加，是影響壽命的原因。2010年，Meneghini團隊[38]對激光器和LED退化情況進行對比發(fā)現(xiàn)，二者退化規(guī)律相同，得出激光器退化與脊型結(jié)構(gòu)無關(guān)。該團隊[39]還對激光器工作環(huán)境與激光器退化的關(guān)系研究得出：（1）激光器失效率正比于激光器注入電流；（2）溫度會加速激光器的退化，但不影響其退化特征；（3）激光器的退化基本不受外部光場的影響。Takeya等[40]研究發(fā)現(xiàn)激光器的退化和缺陷擴散有關(guān)，但并未確認缺陷的類型。Meneghini團隊在2014年對激光器使用微區(qū)PL和陰極熒光光譜（cathodoflurescent spectroscopy, CL）分析，發(fā)現(xiàn)退化后的有源區(qū)出現(xiàn)了PL和CL發(fā)光變?nèi)醅F(xiàn)象，且PL發(fā)光波長發(fā)生紅移現(xiàn)象。2015年，Marioli等[41]對商業(yè)綠光激光器研究發(fā)現(xiàn)，恒電流模式下導致閾值電流的增加，且與老化時間呈指數(shù)關(guān)系，有源區(qū)的點缺陷的增加致使激光器退化。2016年，Wen等[42]研究早期失效的GaN基激光器的有源區(qū)發(fā)生了局部退化，其原因是因為金屬鎵的形成導致了局部組織的損傷，致使發(fā)生早期退化。De等[43]在2018年發(fā)現(xiàn)GaN基激光器可以受到與災(zāi)難性光學損傷無關(guān)的光子驅(qū)動產(chǎn)生退化，通過對PL光譜分析，認為退化的一個可能的原因是鎵空位脫氫，它導致有源區(qū)缺陷的數(shù)量增加。缺陷的來源及導致激光器退化的本質(zhì)仍未有定論，激光器的退化機制還需要進一步的深入研究。

4 結(jié) 語

GaN基半導體材料作為第三代半導體材料，由于其優(yōu)越的性能被應(yīng)用于各行各業(yè)。GaN基激光器自1995年被首次報道以來，二十幾年時間內(nèi)取得了巨大的進展與廣泛的應(yīng)用。GaN基激光器在生長條件和制備工藝的摸索方面取得了很大的進步，最新報道的藍光與綠光激光器輸出功率高達5.25 W和2 W，但相關(guān)退化機制的研究需要進一步加強，讓人們對激光器的生長與退化機制有更加全面的認識。第三代半導體材料GaN基激光器在當今的信息化時代會有更加長遠的應(yīng)用前景。