氮化镓激光器的技术难点和发展过程

半导体

　　激光器是20世纪四大发明之一，半导体激光器是采用半导体芯片加工工艺制备的激光器，具有体积小、成本低、寿命长等优势，是应用最多的激光器类别。氮化镓激光器（LD）是重要的光电子器件，基于GaN材料体系（GaN、InGaN和AlGaN）的激光器将半导体激光器的波长扩展到可见光谱和紫外光谱范围，如图1所示，在显示、照明、医疗、国防安全和金属加工等领域具有巨大的应用前景。
　　

　　图1、GaN材料体系（GaN、InGaN和AlGaN）将半导体激光器波长扩展到可见光和紫外波段
　　一、技术难点
　　激光产生的原理为光增益材料中的光在光腔中振荡放大，形成相位、频率和传播方向都相同的光。通常半导体激光器的光增益区和光腔都是由半导体材料组成，厚度为亚微米或微米尺度，这也是半导体激光器体积较小的原因。
　　光腔由折射率比增益区小的半导体材料组成，折射率的调控通过改变半导体材料的组成实现。例如，808 nm的红外激光器的增益区为GaAs量子阱，采用折射率低的AlGaAs作为光腔限制层。因为GaAs和AlGaAs的晶格常数几乎一致，且制备条件相似，所以激光器的增益区和光腔的质量很高，激光器的性能也很好。
　　

　　图2、具有Pd/Pt/Au的传统GaN基激光器结构示意图或具有ITO限制层的GaN基激光器结构示意图
　　对于GaN基激光器，激光器结构如图2所示，所面临的问题目前主要集中在三个方面：如何制备高质量InGaN/GaN多量子阱、如何减少内部光损耗以及如何增加空穴注入效率？
　　InGaN/GaN多量子阱作为GaN基激光器的有源区，其生长质量对于激光器性能十分重要。随着激射波长的增大，InGaN量子阱中的In组分也相应提高。为了实现绿光LD，InGaN量子阱中的In组分大约达到了30%。In-N的键能低，高In组分的InGaN的生长过程需要降低生长温度来保证足够的In并入。但在较低的生长温度下，表面原子的迁移速率低，迁移长度短，且低温下NH3的裂解效率降低，InN与GaN的互溶隙也较大，容易造成InGaN量子阱的晶体缺陷、组分波动、表面粗糙等问题。In组分偏析和InGaN量子阱表面粗糙还会造成光致发光谱的非均匀展宽。
　　P型AlGaN限制层的生长需要大约1000 ℃以获得高电导率的p型AlGaN，但高温生长p型AlGaN层时，会导致量子阱有源区发生热退化。另外，InGaN与GaN之间存在较大晶格失配，晶格失配随In组分的升高而愈发显著，在蓝光激光器中，InGaN量子阱与GaN的晶格失配达到1.6%，绿光激光器中则达到3.3%。严重的晶格失配会导致InGaN量子阱中出现晶体缺陷，降低辐射效率，缩短激光器寿命。
　　p型GaN掺杂的Mg的电离能大，且随着Al组分的升高而升高。因此，p型GaN中只有不到10%的受主杂质Mg电离出自由空穴，其余未能电离的90%的Mg成了GaN基激光器内部光损耗的主要来源，较大的内部光损耗会导致激光器的阈值电流增大，斜率效率降低。
　　多量子阱有源区的空穴注入是不均匀的，不仅是因为空穴的有效质量大，也因为在多层激光器结构中存在的势垒。极化电场使有源区多量子阱的能带发生倾斜，提高了空穴注入的势垒，从而使得空穴从p侧的量子阱区注入n侧的量子阱区变得困难。这种不均匀的空穴注入会导致激光器阈值电流增大而斜率效率降低。
　　二、发展过程
　　1994年赤崎勇和天野浩教授首先报道了基于氮化镓双异质结构、波长为402.5 nm的受激辐射。1996年日本日亚公司中村修二领导研制出世界上第一支GaN基紫光激光器。从此，波长为405 nm的氮化镓紫光激光器的发展和应用推动了高密度光存储、激光直写光刻和光固化产业的发展。2014年，氮化镓基LED的发明者赤崎勇、天野浩和中村修二教授被授予当年的诺贝尔物理学奖。
　　此后，GaN基激光器向蓝绿光和紫外光波段进行拓展，特别是蓝光波段，随着衬底、外延、芯片和封装技术的不断进步，蓝光激光器的性能在不断提升。
　　

　　图3、（a）氮化镓/蓝宝石模板和（b）GaN自支撑衬底的位错缺陷对比（图中暗斑为位错缺陷）
　　在衬底方面，早期的氮化镓激光器生长在氮化镓/蓝宝石模板上，位错密度在108cm-2量级，如今氮化镓激光器都生长在位错密度为106cm-2量级或更低的氮化镓自支撑衬底上，如图3所示。
　　

　　图4、（a）由于外延结构各层生长条件差异大导致蓝光激光器结构中出现暗斑缺陷；（b）优化生长条件消除暗斑缺陷的激光器外延片
　　

　　图5、以ITO代替部分p-AlGaN光限制层的
　　复合激光器结构示意图
　　在外延方面，主要是克服失配应力和生长条件差异的不利影响，提升外延材料质量，如图4所示。而在激光器结构方面，近年发展出以ITO为p型光限制层的复合激光器结构，如图5所示，这些进展都大幅提升了激光器外延层的质量和器件性能。
　　在芯片方面，主要是制备低接触电阻的欧姆接触电极，降低激光器的工作电压。激光器的散热封装也是保证其光功率输出的关键，目前大功率蓝光激光器主要采用倒装结构以降低其热阻。国际上日本日亚公司和德国欧司朗公司报道了斜率效率1.8 W/A的蓝光激光器，在良好散热封装的条件下单管连续波输出光功率4~5 W。
　　中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的刘建平研究员课题组通过优化蓝光激光器p-AlGaN限制层的生长条件，优化量子阱结构和波导结构，研制出了高功率蓝光激光器，斜率效率已达到1.7 W/A，但在散热封装方面还存在差距，限制了其连续波光功率输出。
　　为了提高绿光激光器量子阱的发光均匀性和效率，该课题组也做了大量的努力，并制备了以ITO为上限制层的复合结构绿光激光器，准连续工作条件工作下光输出功率达到了500 mW。部分优秀研究成果发表在《中国激光》2020年第47卷第7期（原文链接）。
　　GaN激光器的发展推动了大色域激光显示、高亮度激光照明和金属加工等技术的革新。
　　由于激光的单色性，有红绿蓝三色激光为光源的激光显示可以显示自然界色彩的90%，是液晶电视的2倍。2020年7月17日，海信推出了色域为151%的激光电视，电视色彩还原度更为真实、艳丽。由于激光具有良好的方向性，GaN基蓝色激光器与荧光粉构成的的汽车大灯的光强是LED的1.7倍，照明距离也相较于LED更远，可以达到700米，已应用于宝马i7等车型。
　　由于铜、金等金属对蓝色激光的吸收系数比红外激光高一个数量级，氮化镓蓝光激光通过激光合束技术已应用于金属加工，美国NUBURU公司、德国Laserline公司、日本岛津公司和国内深圳联赢公司都推出了连续波1000 W以上光功率的蓝色激光系统。日本岛津也报道了应用于水下通信的光WiFi系统。
　　三、前景与挑战
　　随着衬底、外延和器件的制备和封装技术的进步，特别是采用导电透明氧化物为激光器光腔限制层，为像GaN材料体系这样性质差异大的半导体激光器提供了新的研究思路，有望进一步提高氮化镓激光器性能。
　　未来GaN基蓝光激光器的效率将进一步提升，接近GaAs基红外激光器的电光转化效率。在此基础上，增加单管激光器的发光区宽度和长度，单管激光器的光功率可以进一步提升，并结合正在发展的GaN激光器的光束整形和合束技术，将实现更高功率的激光器模组。氮化镓激光器的应用也将更加广泛。
　　垂直腔GaN激光器具有光束质量好、易形成面阵、功耗低的优势，高质量DBR反射镜的制备是其关键核心技术。近年来发展了多种DBR的制备技术，器件性能得到很大的提高，其中垂直腔蓝光激光器的性能已达到实用化的水平，但DBR反射镜仍然是限制其大规模量产的瓶颈。
　　GaN基激光器的波长也在向绿光和紫外拓展，但仍存在很大的挑战。目前绿光激光器的光功率和效率远低于蓝光激光器，导致红绿蓝三基色激光电视的成本远高于采用蓝色激光器激发荧光粉的激光电视，但是蓝色激光器激发荧光粉的技术方案牺牲了激光显示的大色域优势。因此提升绿光激光器的性能仍然是一个急需攻克的挑战。
　　在紫外激光器方面，目前还没有实现其电注入连续波工作，其瓶颈是高Al组分的p型掺杂，导致激光器的串联电阻非常高，这是实现高性能紫外激光器需要攻克的挑战。

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