全球氮化镓激光器材料及器件研究现状

刘建平 杨辉

氮化物半导体材料，也称为氮化镓（GaN）基材料，是继硅（Si）、砷化镓（GaAs）之后的第3代半导体材料，包含了GaN、氮化铝（AlN）和氮化铟（InN）及它们的合金（禁带宽度范围为0.7～6.2eV），是直接带隙半导体，是制作从紫外到可见光波段半导体激光器的理想材料。半导体激光器具有体积小、效率高、寿命长和响应速度快等优点，在信息科技等领域有广泛的应用，是光电子产业的龙头产品。氮化镓激光器在激光显示、激光照明、水下通信、生物医学等民用及军用领域有广泛应用。

一、GaN基激光器的应用

GaN基半导体激光器目前最引人注目的应用是激光显示。由于激光的高色纯度，按三基色合成原理在色度图上形成的色度三角形面积最大，色域覆盖了自然色彩的90%，而目前液晶电视、等离子体电视仅能达到40%，因而激光显示的图像具有更大的色域、更高的对比度，可以更真实地再现客观世界丰富、艳丽的色彩，更具表现力（见图1）。激光显示甚至被称为“人类视觉史上的革命”，在电视、家庭影院和投影机等领域具有巨大的应用前景。

在GaN基蓝光和绿光激光器研制成功以前，激光显示采用的激光光源为全固态激光器。相对于全固态激光器，半导体激光器具有很多优势，比如体积小、效率高、成本低、寿命长、波长连续可调、易调制等。因此随着GaN基蓝光和绿光激光器的发展和成熟，激光显示的激光光源正被直接半导体激光器所取代。三基色中的红光激光器采用AlGaInP红光激光器，而蓝光（445～450nm）和绿光（520～530nm）激光器则为GaN基激光器。2005年，Sony公司开发出了以GaN基蓝光激光器为光源的背投电视。2007年，上海三鑫科技发展有限公司采用GaN基蓝光激光器开发出了微型激光投影机。2014年，海信集团推出了采用GaN基蓝光激光器的激光影院系统。

GaN基紫光激光器波长短，可以用在光盘存储领域，增加光盘的存储容量。以通用的5英寸双面光盘为例，采用波长为670～690nm的红光半导体激光器，光盘存储容量为2.6GB，如采用波长为405nm的GaN激光器，相同尺寸光盘容量可达20GB以上，随着GaN基激光器输出功率的增加，光盘上数据层数也可相应地增加，其数据容量也可成倍地增加，Sanyo Electric公司发布的激光二极管，脉冲输出功率为450mW，激光器可以以12倍速写入4层数据，光盘容量可达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显身手。激光打印机可以直接从计算机中接收文字或图像，因此可以大大节省时间，加快速度，大幅度减少打印对环境带来的污染。目前激光打印机普遍采用红光激光器（808nm）作为激光光源。相对于红光激光器，GaN基紫光激光器（405nm）具有更短的工作波长，可获得更小的衍射光斑，因此采用GaN基紫光激光器（405nm）作为激光光源，可以提高激光打印的分辨率，获得更高的印刷品质。

GaN基激光器除了在上述民用領域被广泛应用之外，在军事领域也具有广阔的应用前景。波长470～540nm的蓝绿光在海水中具有较低的吸收系数，因而具有较强的穿透能力，其传播距离可达600m，可用于深海探测和对潜通信。有研究表明，烟雾对紫光激光和红色激光的散射比不同，因而GaN基紫光激光器还可以用作具有抗烟雾干扰能力的激光引信。

随着GaN基激光器技术的日渐成熟、波长范围的不断扩展和输出功率的逐步增加，有理由相信一定会开辟出越来越多的应用领域，其市场规模将会进一步扩大。

二、GaN基激光器研究现状

国际上，自1996年12月日本日亚（Nichia）公司研制成功世界上第一只室温连续激射的GaN基紫光激光器以来，众多研究机构投入巨资进行GaN激光器的研究。近几年，受激光显示巨大市场需求的推动，GaN基激光器的研究重点转向蓝光和绿光激光器。

1.紫光激光器

波长为405nm左右的紫光激光器是最早研制成功的GaN基激光器，其最大的应用是高密度光学存储。1995年，日本Nichia公司研制出世界上第一个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，波长400nm，工作电流40mA，工作电压5V，输出功率5mW，室温连续工作寿命超过10 000h。

虽然紫光激光器的技术已经成熟，但激光器输出功率相对较小，效率较低。目前很多研究都是围绕提升激光器的输出功率和效率展开的。2003年，Sony公司报道了单管GaN基激光器连续工作输出功率高达0.94W，阵列功率高达6.1W。Nichia公司的网站上亦销售连续工作输出功率达10W的GaN基激光器阵列。GaN基紫光激光器的另一个发展方向是在医学上有重要用途的皮秒激光器。2012年，Sony公司通过激光器锁模和光放大器，实现了405nm、300W和1GHz重复频率的脉冲激光。

在国内方面，2004年中科院半导体所和北京大学研制出GaN基紫光激光器。2010年中科院半导体所采用自支撑GaN衬底，进一步提升了激光器性能，实现了阈值电流密度2.4kA/cm2，阈值电压6.8V，激射波长413.7nm的GaN基紫光激光器。

2.蓝光激光器

由于GaN基蓝光和绿光激光器在激光显示等领域具有巨大的应用前景，很多研究机构都致力于将激光器的激射波长扩展至蓝光和绿光范围。相对于紫光激光器，GaN基蓝绿光激光器的难点在于：①量子阱In组分增加，导致更大的In组分分布不均匀和应变，使激光器增益谱变宽，峰值增益下降；②量子阱In组分增加，热稳定性变差，在p型光学限制层生长过程中发生热退化，材料质量变差；③量子阱In组分增加导致极化电场增加，量子阱内电子和空穴波函数重叠下降，辐射复合几率下降；④由于折射率的色散，在相同限制层和波导层的情况下，激光器的限制因子随着波长的增加而减小，导致激光器模式增益降低。因此，为增加激光器的激射波长，需要对激光器的波导结构进行重新设计，采用InGaN波导，增加激光器的限制因子；同时提高生长技术，优化有源区和p型层的生长条件，降低激光器结构材料缺陷。

1999年9月，Nichia公司首次报道了横向外延GaN衬底上生长的单量子阱蓝光激光器，其激射波长为450nm，阈值电流密度和电压分别为4.6kA/cm2和6.1V，室温下输出5mW时寿命为200h。2001年3月，Nichia公司采用InGaN材料作为波导层，增强光学限制；同时改善有源区的晶体质量，器件的阈值电流密度下降为3.3kA/cm2，阈值电压降低到4.6V，50℃输出5mW时器件寿命达到3 000h。随着外延、芯片和散热封装技术的不断提升，激光器的输出功率和寿命在不断增加。2013年，Nichia公司报道了连续输出3.75W的蓝光激光器，激光器的阈值电流为225mA，阈值电流密度小于1kA/cm2。在市场上，Nichia公司已推出3.2W的蓝光激光器。Osram公司蓝光激光器的研究相对较晚，但发展迅速。2013年Osram公司报道了最大输出功率高达4W的蓝光激光器。目前，Osran公司已经在市场中推出连续输出1.6W的蓝光激光器产品。

在国内，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生所率先研制出GaN蓝光激光器， 目前蓝光激光器光功率达到500mW，如图2所示。并成立苏州纳睿光电有限公司进行GaN激光器的产业化开发，目前50～100mW的蓝光激光器已经实现量产。

3.绿光激光器

绿光激光器是激光显示三基色光源之一，随着激光显示技术的发展和GaN基蓝光激光器在激光显示技术上的成功应用，对GaN基绿光激光器的需求变得更加地迫切，氮化镓绿光激光器是目前氮化镓器件研究领域的热点。

实现氮化镓绿光激光器存在2大难点，第1个难点是生长高量子效率的绿光InGaN量子阱有源区，要实现绿光激射，InGaN量子阱的In组分需要达到约33%，提升高In组分InGaN量子阱的发光效率难度很大，在激光器结构中尤其困难；第2个难点是InGaN量子阱组分和界面不均匀，导致发光非均匀展宽，激光器光学峰值增益下降。由于难度大，国际上的相关研究直到2009年才取得了突破，日本Nichia公司和德国欧司朗（Osram）公司率先实现了绿光激光器的室温连续激射。

Nichia、Osram等公司在研制成功蓝光激光器之后，开始致力于GaN基绿光激光器的研究。2009年，Nichia公司和Osram公司在c面GaN绿光激光器的研究中取得突破。2009年1月， Osram公司率先实现了c面GaN衬底上激射波长大于500nm的绿光激光器，阈值电流密度为6.2kA/cm2，斜率效率为0.65W/A。2009年5月，Nichia公司报道了激射波长为510～515nm的绿光激光器，阈值电流密度为4.4kA/cm2，阈值电压为5.2V、25℃连续输出5mW时激光器推测寿命超过5 000h。2010年，Osram公司报道了c面室温连续工作、激射波长为524nm的绿光激光器，阈值电流为97mA，斜率效率达到0.336W/A，輸出50mW时激光器电光转换效率为2.3%。2012年2月，Osram公司报道了激射波长为519nm的长寿命绿光激光器，其连续输出最大功率超过100mW，电光转换效率达到6%，40℃输出50mW时激光器寿命达到了10 000h。2013年，Osram报道了250mW激射波长520nm的绿光激光器。Nichia公司在绿光激光器的研究方面亦进步迅速，2013年报道了输出功率高达1.01W的绿光激光器。

在国内，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生所在2014年率先研制出GaN绿光激光器，其光功率-电流曲线如图3所示，阈值电流密度为8.5kA/cm2，斜率效率为0.22W/A。图4所示为其激射光谱，激射波长为508nm。

4.半极性面和非极性面激光器

由于c面为GaN的极性面，InGaN量子中的极化电场高达每厘米几兆伏，随着激射波长的增加，量子阱In组分进一步增加，极化电场亦增加，在绿光波段，量子阱中的In组分高达30%以上，QCSE已严重影响了载流子的复合几率，限制了GaN基绿光激光器的发展。半极性面或非极性面上的极化电场较小，QCSE的影响较弱。另外根据Park等人的报道，一些半极性面或非极性面上量子阱的重空穴带和轻空穴带分离，使量子阱具有更高的材料增益，因此加州大学圣芭芭拉分校（UCSB）、日本罗姆公司（Rohm）、（住友电子）Sumitomo electric、美国索拉公司 （Soraa）等机构致力于半极性面和非极性面GaN基绿光激光器的研究。

2009年，Rohm公司率先报道了激射波长大于500nm的非极性面GaN激光器，阈值电流密度为3.1kA/cm2，连续输出15mW时激射波长为500.2nm。Sumitomo公司后来居上，于2009年7月报道了激射波长为531nm的绿光激光器，采用（20-21）面自支撑GaN衬底，阈值电流密度为15.4kA/cm2。2010年7月，该公司实现了半极性面（20-21）面脉冲激射波长为533.6nm的激光器和连续激射波长为523.3nm激光器。2012年6月，该公司在半极性面（20-21）面GaN衬底上实现了连续激射波长为525nm、输出功率50mW的长寿命绿光激光器。2010年11月，Soraa公司报道了激射波长为521nm的绿光激光器，连续工作输出60mW时，激光器电光转换效率为1.9%。

目前半极性面和非极性面上的GaN基材料质量没有c面GaN好，另外半极性面和非极性面GaN衬底尺寸较小，价格非常昂贵，这些都阻碍了半极性面和非极性面激光器的发展，目前半极性面和非极性面激光器还未实现商品化。

5.紫外光激光器

紫外光激光器在生物和医学等方面存在很多应用。相对于紫光激光器，紫外光激光器的研究难度更大。随着激光器的波长向短波方向发展，激光器量子阱需要采用AlGaN材料，光学限制层中的Al组分需相应增加，高质量的AlGaN材料很难生长，因此AlGaN量子阱的效率较低，且Mg受主在p-AlGaN中的电离能随着Al组分的增加而增加，因此p-AlGaN的电阻率很大，激光器的工作电压非常高，这些都使得紫外光激光器很难实现激射。

1996年6月，日本的I.Akasaki等人采用分别限制结构成功实现了 376nm的单量子阱激光器室温脉冲激射，阈值电流密度为3.0kA/cm2，阈值电压为16V。2001年5月，Nichia公司报道了第一个连续工作的GaN基紫外光激光器。激光器的有源区为AlInGaN单量子阱，脉冲激射波长为366.4nm，室温连续工作的阈值电流密度为3.5kA/cm2，阈值电压为4.8V。输出2mW时激光器的寿命估计为500h。2001年6月，Nichia公司报道了量子阱为GaN材料的单量子阱紫外激光器，室温连续工作波长为369nm，阈值电流密度为3.5kA/cm2，阈值电压为4.6V，输出2mW时激光器的寿命估计为2 000h。为继续向短波方向拓展（<361nm），一部分学者采用AlGaN材料作为量子阱。2008年12月，Hamamatsu Photonics公司报道了迄今为止电注入激射波长最短的紫外光激光器，脉冲工作波长为336nm，阈值电流密度为17.6kA/cm2，阈值电压为34V。另一部分学者采用窄GaN量子阱的方法来减小量子阱中的极化效应，减少能带弯曲，从而缩短激光器的工作波长。2013年，Hamamatsu Photonics公司采用1～1.5nm的GaN多量子阱，实现了340nm激光器的室温脉冲激射，激光器的阈值电流密度为15.4kA/cm2，阈值电压为27.9V。

三、GaN基激光器材料研究现状

GaN材料中的缺陷密度高低直接决定了激光器寿命的长短：缺陷密度越低，激光器的寿命越长。为了实现低缺陷密度的GaN材料，一般以低缺陷密度的GaN自支撑单晶衬底作为起始材料，进行激光器外延结构生长和工艺制备。

生长GaN自支撑单晶衬底材料方法包括高温高压法（high pressure nitrogen solution，HPNS）、氨热法（Ammonothermal growth）、钠助熔剂法（Na flux method）和氢化物气相沉积（Hydride vapor-phase epitaxy，HVPE）方法。前3种方法，高温高压法、氨热法和钠助熔剂法，要么需要高温高压设备，要么需要钠钾等活性熔融体，危险性大，研究单位少。在开始十多年时间都只能获得10mm大小的晶体，基本不能够作为衬底使用，主要用于材料基本性质的研究。

HVPE厚膜生长技术由于其具有设备相对简单、成本低、生长速度快等优点，可以生长均匀、大尺寸GaN/Al2O3厚膜衬底。目前报道的最高生长速度可以达到800μm/h，无裂纹厚度可以达到300μm以上，而且位错密度可以降低到106～107/cm2。然后，通过衬底分离技术可得到自支撑GaN衬底。近10年来，国际上用HVPE法制备自支撑GaN衬底取得极大的进展，已有多个研究单位报道制备出自支撑GaN衬底。其中日本的氮化镓衬底开发较早，一直处于世界前列。美国、法国、中国的氮化镓衬底开发起步相对较晚，但是近年来进展较快，与日本的差距正在日益缩小。

日本的半導体工业巨头住友电工、日立电缆等企业，在20世纪90年代就开始了氮化镓自支撑衬底的研发，其中住友电工主要采用GaAs衬底，用SiO2作纳微米级掩膜，制备出直径2英寸、缺陷密度为2×106/cm2的自支撑GaN衬底，住友电工已使用该方法实现了2英寸自支撑GaN的小批量生产。日立电缆采用了“间隙形成剥离法（VAS：Void Assisted Separation）”技术制备2英寸氮化镓晶片。该技术首先是在蓝宝石基板与GaN形成层之间插入纳米级网眼状氮化钛膜，在这层氮化钛膜上生成GaN单晶膜，从而能简单地剥离大面积的GaN晶体，而不使GaN晶片受到任何损伤。除了日本以外，美国的Kyma公司、法国的Lumilog公司也相继实现了2英寸氮化镓衬底的研发和产业化开发。

我国氮化镓晶片的研制从“九五”开始一直持续得到了国家863项目、自然基金项目的支持，南京大学、中科院半导体所、北京大学等在氮化镓的氢化物气相外延生长（HVPE）研究方面取得很大进展。由于高品质的厚氮化镓晶片生长难度太大，在产业应用方面一直没有能够取得关键突破。中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、苏州纳维科技有限公司自2007年成立以来，一直致力于氮化镓衬底的产业化开发。通过7年多的努力，在氮化镓晶片的产业化开发上取得重要突破，已经实现了2英寸氮化镓衬底晶片的稳定生产，缺陷密度最低可达104/cm2，晶体质量已经达到了国际先进水平，支撑了苏州纳米所蓝绿光半导体激光器的研发和产业化推广。