连续工作7.5W高功率氮化镓基蓝光激光器（特邀）

胡磊，李德尧，刘建平，田爱琴，王旦，张涛，吴思，徐鹏，杨辉

（1 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所纳米器件与应用重点实验室，江苏苏州215123）

（2 广东中科半导体微纳制造技术研究院，广东佛山528000）

0 引言

氮化镓（Gallium Nitride，GaN）基材料具有大禁带宽度、高电子迁移率、高热导率等特点，且是一种直接带隙发光材料，应用于各种电子器件和光电器件中，受到了广泛关注。相对于GaN 基发光二极管（Light Emitting Diode，LED）而言，GaN 基激光器（Laser Diode，LD）具有方向性好、亮度高、颜色纯以及在大电流注入下保持高效率的特点，其中高功率GaN 基蓝光激光器在激光显示、激光照明、激光通信和金属加工等领域具有重要的应用前景［1-6］。但高功率GaN 基蓝光激光器的研制难度极大，主要与外延生长、工艺制备以及封装工艺这三个难点有关：1）激光器外延结构复杂，需保证晶体质量的同时提高量子阱发光效率和减少光吸收损耗［7-9］；2）需减少工艺制备过程中引入的侧壁损耗与腔面损耗［10］；3）需开发与倒装工艺匹配的低热阻封装技术，从而高功率GaN 基蓝光激光器能有效散热［11-13］。

近年来，国内外在高功率GaN 基蓝光激光器方面都取得了较大的进展。日本日亚公司采用TO90 倒装方式，将热阻降至6 K/W，制备了波长为455 nm、连续工作光功率约5.7 W 的蓝光激光器［14］；索尼公司报道了连续工作光功率约5 W 的蓝光激光器［15］；德国欧司朗公司也采用TO90 封装方式，获得了连续工作光功率为5.5 W 的蓝光激光器［16］，其热阻为8 K/W；中科院半导体所报道了连续工作光功率为6 W 的蓝光激光器［17］。

本文通过优化GaN 基蓝光激光器的封装结构，采用双面封装方式以提高蓝光激光器的散热能力，实现蓝光激光器的热阻为6.7 K/W，特征温度T0为235 K，代表双面封装的蓝光激光器具有好的材料质量、结构和封装。脊宽45 μm、腔长1 200 μm 蓝光激光器的阈值电流密度为1.1 kA/cm2，斜率效率为1.4 W/A，在6 A电流工作下，室温连续工作光输出功率达到了7.5 W。

1 结构

用金属有机化学气相沉积（Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）外延设备在c 面GaN自支撑衬底上生长蓝光激光器外延结构。外延结构由硅（Si）掺杂的n-Al0.08Ga0.93N 下限制层，Si 掺杂的n-GaN 层，Si 掺杂的n-In0.04Ga0.96N 波导层（Waveguide Layer，WG），两个周期的In0.16Ga0.84N/GaN 多量子阱（Multiple Quantum Wells，MQWs），非故意掺杂的In0.02Ga0.98N 波导层，镁（Mg）掺杂的p-Al0.2Ga0.8N 电子阻挡层（Electron Blocking Layer，EBL），Mg 掺杂的Al0.07Ga0.93N/GaN（2.5/2.5 nm）超晶格上限制层和重掺杂的p-InGaN 接触层组成。蓝光激光器结构如图1所示，首先用磁控溅射设备在蓝光激光器外延结构上沉积金属接触电极p-elecrode，光刻并采用干法刻蚀出激光器45 μm 宽的脊形结构，然后在脊形两侧沉积200 nm 二氧化硅，起到电学隔离的作用。在顶部沉积p型电极，并将GaN 衬底减薄抛光后沉积n 型电极。最后沿m 面解理成1 200 μm 长的巴条，在前后腔面沉积具有不同反射率的多层介质膜形成光学谐振腔。

图1 氮化镓基蓝光激光器结构Fig.1 The structure of GaN-based LD

2 封装

为了获得GaN 基蓝光激光器在室温连续条件下的高光功率输出，需要将蓝光激光器单芯片进行封装，GaN 激光器的焦耳热主要来自于量子阱的非辐射复合和p 型层，采取p-down 倒装封装方式才能更好地散热。图2（a）为采取单面封装方式的蓝光激光器示意图，将蓝光激光器倒装封装在AlN 过渡热沉上，并共晶在铜块上提供散热通道，AlN 过渡热沉与陶瓷基板通过打线串联在一起，作为高功率蓝光激光器的正极，从蓝光激光器的N 面打线至陶瓷基板作为负极。与单面封装的蓝光激光器不同，双面封装方式采用铜块2 与蓝光激光器N 面充分贴合，增加激光器的散热，如图2（b）。

图2 高功率GaN 基蓝光激光器的两种封装方式Fig.2 Two packaging methods for high-power GaN-based blue laser diode

2.1 热阻

通过激光器的热阻大小可以判断封装的好坏，测量激光器正向电压随温度变化关系，获得激光器的电压温度系数，从而计算出热阻［18-19］。图3（a）为热阻测试电路示意图，其中E 是一个小的直流电源，并联电容C用以吸收电源的噪声波动，电路中并联了两个电阻R1 和R2，其中R1 的阻值远大于R2，待测试的蓝光激光器串联在电路内，示波器测量电阻两端以及激光器两端电压变化情况。测试开始前，先闭合开关S，由于并联电阻较小，激光器在大电流、高结温下工作；随后断开开关S，激光器转换成小电流工作，结温慢慢下降，正向电压发生变化，此正向电压差即为结温变化引起的正向电压变化值，根据式（1）和（2）可计算出蓝光激光器的热阻［20-21］

式中，VFB是小电流平衡状态稳定的电压，VFA是断开开关后一定延时时间后的小电流电压，Tc为电压温度系数，Rth是热阻，IH是激光器大电流工作时电流，VH是激光器大电流工作时电压，Pout是大电流工作时的光功率。单面封装和双面封装方式的蓝光激光器的电压随时间变化曲线分别如图3（b）和图3（c）所示。根据电压差求得单面封装的蓝光激光器的热阻为8.5 K/W，而双面封装的蓝光激光器的热阻为6.7 K/W。可以发现采取双面封装方式的GaN 基蓝光激光器的热阻较小，能更有效散热，有利于高功率蓝光激光器室温连续条件下工作。

图3 不同封装方式的蓝光激光器热阻测试曲线Fig.3 Thermal resistance test curves of blue lasers with different packaging methods

2.2 特征温度

激光器的阈值电流密度Jth随温度变化而变化，阈值电流密度与温度之间的关系满足［22］

式中，Tr是室温，T0是特征温度。

特征温度T0是衡量半导体激光器温度稳定性的参数，它与激光器芯片的材料质量和结构有关，可判断激光器能否在室温下连续工作，用两个不同温度下阈值电流的比值来衡量激光器的热稳定性，比值越小代表这个器件具有更好的温度特性［22-24］。图4（a）为单面封装的蓝光激光器从室温加到65 ℃时的连续工作下功率-电流（P-I）曲线，可以发现随着温度增加，蓝光激光器的阈值电流增加，斜率效率略微下降，图4（b）为其特征温度的拟合曲线，根据式（3）拟合的单面封装蓝光激光器的特征温度为132 K。根据双面封装的蓝光激光器从室温加到65 ℃时的连续工作下的P-I曲线，如图4（c），阈值电流增加更为缓慢，拟合获得双面封装的蓝光激光器的特征温度为235 K，如图4（d）所示，对比发现双面封装的蓝光激光器的特征温度更高，表明这种封装方式具有更好的温度稳定性。

图4 不同封装方式的蓝光激光器的特征温度测试曲线Fig.4 Characteristic temperature curves of blue lasers with different packaging methods

3 器件性能

图5 为单面封装和双面封装的GaN 基蓝光激光器的室温连续电注入时的功率-电流-电压（P-I-V）曲线，脊宽45 μm、腔长1 200 μm 的两种封装方式的蓝光激光器的激射波长均为442 nm，阈值电流密度均为1.1 kA/cm2，双面封装的蓝光激光器的斜率效率为1.4 W/A，单面封装的蓝光激光器的斜率效率更高为1.5 W/A。当电流增加至3 A，单面封装的蓝光激光器的斜率效率开始明显下降，当电流继续增加至4 A 时，功率出现了饱和，这是单面封装的蓝光激光器散热不佳、结温升高所导致，同时，我们发现单面封装的蓝光激光器的电压小于双面封装的蓝光激光器，也表明单面封装的蓝光激光器散热不佳，热量囤积导致电压下降。最终获得的双面封装的蓝光激光器在6 A 电流工作下，工作电压为5.9 V，输出功率达到了7.5 W，表明低的热阻和高的特征温度有助于获得高功率蓝光激光器。

图5 不同封装方式的蓝光激光器的室温连续工作时的P-I-V 曲线Fig.5 P-I-V curves of blue laser with different packaging methods under continuous-wave operation at room temperature

4 结论

采用双面封装方式，优化GaN 基蓝光激光器的封装结构，优化后双面封装GaN 基蓝光激光器热阻降到6.7 K/W，特征温度T0提高到为235 K，表明双面封装的蓝光激光器具有良好的材料质量、结构和封装。脊宽45 μm、腔长1 200 μm 双面封装的蓝光激光器的阈值电流密度为1.1 kA/cm2，斜率效率为1.4 W/A，在6 A电流工作下，室温连续工作光输出功率达到了7.5 W。