GaN基激光器的研究进展

张 洋， 徐 鹏

（上海理工大学 材料科学与工程学院，上海 200093）

GaN材料作为第三代半导体材料，有着更为独特的性质。通过对GaN及其多元合金AlGaN，AlGaInN组分的调节，可以得到0.7～6.2 eV连续可调的带隙，理论上可以实现从红外到深紫外波段的发光[1-2]。GaN基激光器具有广泛的应用，蓝紫光激光器用于激光光盘储存器，可以极大地增加光盘的储存密度，蓝光、绿光激光器相较于LED具有亮度高、光源效率高和体积小等优点，被广泛应用于激光照明与激光显示领域。随着激光器生长技术与制备工艺的不断发展，激光器的阈值电流密度与电压都在不断下降，功率与寿命得到不断提高，现有激光器的寿命可达上万小时，已广泛地应用于各行各业。

1 GaN基激光器的应用

GaN基激光器在激光显示、激光打印、激光测量、激光照明以及通信等领域有非常广阔的应用前景。

1.1 激光显示

由于激光有很多优点，比如：发光定向性好、亮度高、颜色纯、能量密度大等。激光可以作为显示领域的杰出固态光源，其由高纯度的红、蓝、绿三基色所构成的激光光源图像显示技术，是投影显示技术发展的趋势所在。相比于其他显示技术，激光显示具有色域宽、指向性好、光电转换效率高、污染小、寿命长、体积小等优点，是大型电视和投影机光源的最佳选择[3]。使用红色、蓝色和绿色的激光二极管进行渲染使其显示色域可达90%以上，比其他显示技术颜色范围的大2倍以上[4]。在2018年美国CES展上，海信公司发布了80/88/100/150英寸（1英尺=2.54 cm）等多种规格的激光电视[5]。2019 年春晚期间，深圳会场更是采用了54台ALPD激光投影机，打造未来云巴车厢内部投影，以及未来云轨车身及背景投影，投影总面积达 2 000 m2[6]。GaN 基激光器的激光显示技术将引领未来显示领域的发展走势。

1.2 激光打印

热敏打印机存在打印的纸张在靠近热源时会变脏的问题。喷墨打印机打印速度慢，一次印刷面积很窄。而激光打印则没有以上打印方式的缺点，其没有特殊的纸张要求，打印成本低，打印面积广，打印速度快。目前市面上的激光打印机，在打印单色文档时，可达12 000页/h，打印彩色文档时，可达6 000页/h。激光打印不同于传统打印机的走纸方式，在单面和双面打印时都有较快的速度体验，逐渐取代市面上其他打印机。随着激光打印技术的不断普及，激光打印成为企业办公中不可或缺的一项应用技术。激光打印技术不仅应用于平面打印，也可用于3D打印。2017年，美国研制出首台飞秒激光3D打印机[7]。激光3D打印技术应用十分广泛，在汽车、航空航天、医疗教育和工程建筑等方面都有十分重要的应用。2019年3月，中国航天科工159厂[8]研制出当时国内最大尺寸的选择性激光烧结3D打印机，标志中国在激光3D打印领域也有了长足的进步。激光打印为人们生活的方方面面带来了便利。

1.3 激光照明

1993年，GaN基蓝光LED芯片被发明之后，人类进入了白光照明的新时代。LED照明发展至今，由于其本身的限制，已到了瓶颈期。激光照明因其自身的优势，成为取代LED照明的新宠。激光照明原理与LED照明相似，利用蓝光激发荧光粉获得黄光，利用黄光和蓝光混合输出白光。但激光照明相较LED照明，有亮度高、效率高和可调制性好等优点。激光的发散角度小，这使得激光照明的光源效率达60%以上，远高于LED的30%～40%的光源效率[9]。汽车大灯多使用激光照明，如奥迪、宝马等厂商在最新款车型上均采用激光照明，其照射距离是LED照明的2倍，且尺寸仅相当于LED的1/5，这给汽车的外形提供了更大的设计空间。在投影方面，亮度在5 000流明以上的LED价格十分高昂，相比之下，激光照明则要便宜很多。而10 000流明以上的亮度更是激光照明的独占领域，目前的LED照明技术对其望尘莫及。

2 GaN基激光器的研究进展

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，如图1所示。自此以第三代半导体GaN基激光器成为了半导体领域科研工作者研究的热点。随着研究的不断进展与设备技术的不断更新，使得GaN基激光器的性能和可靠性都有了不断的提高。如今，市面上已经成熟商用的GaN基激光器产品的波长已覆盖紫光、蓝光和绿光。

图 1 InGaN 多量子阱激光器结构[10]Fig. 1 Laser structure of InGaN multi-quantum well[10]

2.1 GaN基紫光激光器

1995年，Nichia公司利用双流金属有机化合物化学气相沉积方法，在蓝宝石的c面（0001）衬底上进行生长，如图1所示，其使用增益波导结构，得到了阈值电流为 1.7 A，阈值电压为 34 V，激射电流密度为 4 kA/cm2，激射波长范围为 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]改变波导结构为脊型，如图2所示，实现了激光器阈值电流下降为增益波导结构的一半，激射电压下降为24 V。

图 2 InGaN 多量子阱脊型激光器结构[11]Fig. 2 Ridge laser structure of InGaN multi-quantum well[11]

1996年9月，其对p层的生长条件进行了优化，同时改变了掺杂条件和工艺，使阈值电压降为8 V，但其阈值电流密度高达 9 kA/cm2，导致该激光器的寿命仅 1 s[12]。1997 年，Nakamura等[13]对有源区进行Si掺杂，获得了阈值电流密度为3.6 kA/cm2，阈值电压为 5.5 V，输出功率为 1.5 mW，寿命为 27 h的激光器。由于衬底的位错密度对激光器的寿命影响较大，科学家开始改进生长条件来降低位错密度进而延长激光器的使用寿命。1996年10月，Nakamura等[14]通过调制掺杂应变层超晶格结构，得到阈值电流密度5 kA/cm2，阈值电压密度为6 V的激光器，其在室温下寿命超过 10 000 h。1999 年，Nakamura等[15]报道实现在50 ℃的环境温度下，5 mW恒定输出功率下的激光二极管寿命超过1 000 h。在这些高功率和高温操作条件下，估计寿命约为 3 000 h。至此，GaN基激光器的制备技术逐渐成熟，科研人员开始研究如何进一步的提高激光器的效率和输出功率。2003年，Sony公司[16]和Nichia公司分别推出输出功率为0.94 W和10.00 W的GaN基紫光激光器。2012年，Sony公司利用锁模和光放大技术获得了300 W功率和1 GHz重复频率的蓝紫光脉冲激光，其发光波长为405 nm[17]。国内，中科院半导体所在2004年实现GaN基紫光激光器的首次室温脉冲激射[18]。2007年实现连续激射[19]，2010 年实现阈值电压为 6.8 V，阈值电流密度为 2.4 kA/cm2，激射波长为 413.7 nm 的 GaN 基紫光激光器[20]。2017年，北京中科院半导体所生长出尺寸为 10 μm×600 μm 脊型结构的 GaN 基紫光激光器，其室温条件下阈值电流密度和阈值电压分别为：1.5 kA/cm2和 5.0 V，在电流密度为 4.0 kA/cm2时，输出功率可达80 mW[21]。2018年9月，中科院半导体所报道室温直流注入下蓝紫激光二极管的受激发射波长和峰值光功率分别在413 nm和600 mW以上。此外，阈值电流密度和电压分别为1.46 kA/cm2和4.1 V。而且，在室温连续波工作下，寿命超过1 000 h[22]。

2.2 GaN基蓝光和绿光激光器

GaN基蓝光和绿光激光器相较于GaN基紫光激光器主要难点在于量子阱中In组份变高导致的激光器激射阈值增加[23]，热稳定性变差、有源区的生长对衬底位错密度要求高等问题。因此，GaN基蓝绿光激光器的生长，需要对激光器的结构进行优化、有源区的生长条件进行优化等。1999年，Nichia公司[24]实现了激射波长为450 nm，阈值电压为6.1 V，阈值电流密度为 4.6 kA/cm2，输出功率为5 mW，室温下工作寿命为200小时的GaN基单量子阱蓝光激光器。2001年实现阈值电流密度3.3 kA/cm2，阈值电压 4.6 V，寿命 3 000 h 的 GaN 基蓝光激光器。2015年，Nichia公司报道的蓝光激光器寿命达 25 000 h，其阈值电流密度为 0.68 kA/cm2，输出功率为 4.1 W，峰值波长为 455 nm。2006年，Osram公司[25]报道了脉冲激光功率为3.4 W的蓝光激光器。2015年，其蓝光激光器输出功率为4.1 W。2017年，由 Sony公司报道465 nm GaN基蓝光激光器，在3.0 A条件下可实现输出功率为5.2 W的连续工作，其光电转换效率达37%，如图3所示[26]。

2019年3月，Nakatsu等[27]研制出蓝光激光器，在电流为3 A连续工作时，其电压和输出功率分别为4.03 V和5.25 W，光电转换效率为43.4%。相较于GaN基紫光激光器和GaN基蓝光激光器，绿光激光器在2008年由Nichia公司[28]进行首次报道，其阈值电流密度为 3.3 kA/cm2，激射波长为 488 nm。2009 年，实现了输出功率 5 mW 下寿命达 5 000 h，激射波长为510～515 nm的绿光激光器[29]。2013年实现输出功率1.01 W，激射波长为525 nm的大功率绿光激光器。2015 年实现寿命可达 25 000 h，激射波长为525 nm的绿光激光器。2017年12月，Sony公司[25]实现世界上首个530 nm，最大输出功率可达2 W的GaN基绿光激光器，在1.2 A条件下可实现输出功率1 W的连续工作。2019年3月，Nakatsu等[27]研制出532 nm绿光激光器，在电流为1.6 A时，其输出功率为1.19 W，光电转换效率为17.1%，此外，还报道成功制备出543 nm绿光激光器。国内，于2009年由中科院半导体所首次实现蓝光激光器脉冲激射，2012年中科院苏州纳米所实现蓝光激光器连续激射。2014年，中科院苏州纳米所实现绿光激光器首次注入式激射，如图4所示[30]。

图 3 蓝激光在 25 ℃ 下发射的连续激光光谱[26]Fig. 3 Continuous laser spectrum emitted by blue laser at 25 ℃[26]

图 4 绿激光在阈值电流以下和以上的EL光谱[30]Fig. 4 EL spectra of green laser below and above threshold current[30]

2016年，中科院苏州纳米所生长的绿光激光器最低阈值电流密度为 1.8 kA/cm2，激射波长为 508 nm。

3 GaN基激光器可靠性研究进展

随着GaN基激光器的不断发展，人们对激光器的可靠性问题更加关注。高输出功率、低阈值电流密度的激光器不断被进一步报道，市场上商用的激光器日渐广泛，但对激光器相关的退化机制研究仍旧不多。对于弄清激光器退化的原因及机制，从而消除或减少退化，以实现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现：伴随着激光器工作时间的增加，激光器的电光转换效率降低、发光效率会降低、电压升高、波长发生移动以及光谱的半高宽产生变化等。此外，激光器在工作过程中的可靠性不仅受环境的温度以及湿度等因素的影响，也和其自身材料的质量、激光器的制作工艺和封装结构有关系。GaN基激光器的主要退化模式有：激光器封装退化、激光器的静电损伤、激光器腔面退化、激光器芯片退化等。

3.1 GaN基激光器的封装退化

激光器的封装好坏与否直接决定了一个激光器的寿命及工作时的可靠性。激光器在大电流密度环境下进行工作时，其电极的稳定性就显得十分重要。在长时间工作时，由于封装的问题，电极所使用的金属材料往往会和半导体材料之间发生扩散的现象，导致原先的欧姆接触受到结构上的破坏，影响电流注入。电极与半导体材料间也有可能在接触层产生空洞等缺陷，影响电流注入。此外由于封装所使用的材料与电极之间的热膨胀系数差异，使激光器在受热时，会产生热应力损伤激光器的结构，如图5所示[31-32]。

图 5 未处理和 160 ℃ 处理的 LED 光学显微照片[31]Fig. 5 Optical micrograph of the untreated and 160 ℃treated LED chips[31]

3.2 GaN基激光器的静电损伤

静电损伤是使电子器件产生失效的原因之一。半导体激光器在生产、测试、运输及存储过程中，由于材料以及仪器设备和使用者之间发生摩擦产生高达几千伏的静电电压，致使激光器发生失效。静电损伤造成的半导体激光器的失效通常具有以下模式：（1）突发性失效，通常会产生多个电参数的突然失常，失去正常工作功能，如开路、短路等；（2）潜在性失效，当带电体的电势较低时，一次静电释放不足使激光器发生突发性失效，但仍会对器件产生轻微损伤，这种损伤会积累下来，随着静电释放次数的增加，器件的电参数会逐渐劣化，最终彻底失效。为保证激光器的正常工作需要对静电损伤的进行防护[33]。

3.3 GaN基激光器的腔面退化

激光器中含有谐振腔，激光器在工作时，内部谐振腔的可靠性对激光器的可靠性起着十分重要的作用。工作中的激光器，其谐振腔的温度和光场相对较高，容易使激光器的腔面发生退化。腔面的退化可分为两种：（1）突变性损伤；（2）缓慢性损伤。二者导致的结果相同，但退化的原因不同。突变型损伤通常是光输出密度较高，致使局部受热严重，使腔面发生氧化，以及产生缺陷，造成腔面损伤；较高的光输出密度也会使增加腔面的光吸收，导致局部升温，引发局部融化，最终形成腔面损伤。缓慢性损伤通常是由于器件的使用时间不断增加，腔面出的缺陷不断增加，使腔面附近产热变多，增加的产热进一步促使缺陷增加，如此反复累积，最终导致腔面退化损伤。此外，如图6所示[34]，激光器的工作环境也会导致激光器发生腔面退化，如潮湿的环境。

图 6 在水蒸气环境下工作的半导体激光器的SEM图[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见的激光器退化的原因。激光器的芯片退化常发现于寿命较长的激光器中，内部的缺陷是导致其退化的主要原因。传统的激光器芯片退化的缺陷主要有：点缺陷和位错，如GaAs基激光器。GaN基激光器的芯片缺陷有点缺陷和穿透位错，如图7所示[35]。

图 7 TEM 观察到的短节状位错线[35]Fig. 7 Short segment dislocation lines observed by TEM[35]

GaN基激光器早期生长衬底为蓝宝石，这使得芯片内部会有大的穿透位错，严重影响激光器的使用寿命。后使用外延技术生长的GaN基激光器很好的降低了位错密度，是激光器的寿命达到了15 000 h。2006 年，Nagahama 等[36]对生长在 GaN 衬底上和SiC衬底上的激光器进行对比，观察到激光器有源区非辐射复合中心会随着穿透位错的密度降低而降低，寿命随穿透位错密度降低而延长。Rossetti等[37]在2008年对用分子束外延方式生长的激光器进行退化研究时，发现有源区附近会产生位错，通过微区光致发光光谱（photoluminescence spectroscopy, PL）观察发现，位错并未在其他区域分布，他们认为位错的产生致使非辐射复合中心的浓度增加，是影响寿命的原因。2010年，Meneghini团队[38]对激光器和LED退化情况进行对比发现，二者退化规律相同，得出激光器退化与脊型结构无关。该团队[39]还对激光器工作环境与激光器退化的关系研究得出：（1）激光器失效率正比于激光器注入电流；（2）温度会加速激光器的退化，但不影响其退化特征；（3）激光器的退化基本不受外部光场的影响。Takeya等[40]研究发现激光器的退化和缺陷扩散有关，但并未确认缺陷的类型。Meneghini团队在2014年对激光器使用微区PL和阴极荧光光谱（cathodoflurescent spectroscopy, CL）分析，发现退化后的有源区出现了PL和CL发光变弱现象，且PL发光波长发生红移现象。2015年，Marioli等[41]对商业绿光激光器研究发现，恒电流模式下导致阈值电流的增加，且与老化时间呈指数关系，有源区的点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基激光器的有源区发生了局部退化，其原因是因为金属镓的形成导致了局部组织的损伤，致使发生早期退化。De等[43]在2018年发现GaN基激光器可以受到与灾难性光学损伤无关的光子驱动产生退化，通过对PL光谱分析，认为退化的一个可能的原因是镓空位脱氢，它导致有源区缺陷的数量增加。缺陷的来源及导致激光器退化的本质仍未有定论，激光器的退化机制还需要进一步的深入研究。

4 结 语

GaN基半导体材料作为第三代半导体材料，由于其优越的性能被应用于各行各业。GaN基激光器自1995年被首次报道以来，二十几年时间内取得了巨大的进展与广泛的应用。GaN基激光器在生长条件和制备工艺的摸索方面取得了很大的进步，最新报道的蓝光与绿光激光器输出功率高达5.25 W和2 W，但相关退化机制的研究需要进一步加强，让人们对激光器的生长与退化机制有更加全面的认识。第三代半导体材料GaN基激光器在当今的信息化时代会有更加长远的应用前景。