一文讀懂氮化鎵雷射器

《中國雷射》為紀念雷射器誕辰60周年，今年特推出系列專題。

劉建平教授課題組應邀撰寫文章「高功率氮化鎵基藍光雷射器」發表於「半導體雷射器」專題，已於2020年7月出版，並受邀撰寫此篇科普文章。

雷射器是20世紀四大發明之一，半導體雷射器是採用半導體晶片加工工藝製備的雷射器，具有體積小、成本低、壽命長等優勢，是應用最多的雷射器類別。氮化鎵雷射器（LD）是重要的光電子器件，基於GaN材料體系（GaN、InGaN和AlGaN）的雷射器將半導體雷射器的波長擴展到可見光譜和紫外光譜範圍，如圖1所示，在顯示、照明、醫療、國防安全和金屬加工等領域具有巨大的應用前景。

圖1、GaN材料體系（GaN、InGaN和AlGaN）將半導體雷射器波長擴展到可見光和紫外波段

一、技術難點

雷射產生的原理為光增益材料中的光在光腔中振蕩放大，形成相位、頻率和傳播方向都相同的光。通常半導體雷射器的光增益區和光腔都是由半導體材料組成，厚度為亞微米或微米尺度，這也是半導體雷射器體積較小的原因。

光腔由折射率比增益區小的半導體材料組成，折射率的調控通過改變半導體材料的組成實現。例如，808 nm的紅外雷射器的增益區為GaAs量子阱，採用折射率低的AlGaAs作為光腔限制層。因為GaAs和AlGaAs的晶格常數幾乎一致，且製備條件相似，所以雷射器的增益區和光腔的質量很高，雷射器的性能也很好。

圖2、具有Pd/Pt/Au的傳統GaN基雷射器結構示意圖或具有ITO限制層的GaN基雷射器結構示意圖

對於GaN基雷射器，雷射器結構如圖2所示，所面臨的問題目前主要集中在三個方面：如何製備高質量InGaN/GaN多量子阱、如何減少內部光損耗以及如何增加空穴注入效率？

InGaN/GaN多量子阱作為GaN基雷射器的有源區，其生長質量對於雷射器性能十分重要。隨著激射波長的增大，InGaN量子阱中的In組分也相應提高。為了實現綠光LD，InGaN量子阱中的In組分大約達到了30%。In-N的鍵能低，高In組分的InGaN的生長過程需要降低生長溫度來保證足夠的In併入。但在較低的生長溫度下，表面原子的遷移速率低，遷移長度短，且低溫下NH3的裂解效率降低，InN與GaN的互溶隙也較大，容易造成InGaN量子阱的晶體缺陷、組分波動、表面粗糙等問題。In組分偏析和InGaN量子阱表面粗糙還會造成光致發光譜的非均勻展寬。

P型AlGaN限制層的生長需要大約1000 ℃以獲得高電導率的p型AlGaN，但高溫生長p型AlGaN層時，會導致量子阱有源區發生熱退化。另外，InGaN與GaN之間存在較大晶格失配，晶格失配隨In組分的升高而愈發顯著，在藍光雷射器中，InGaN量子阱與GaN的晶格失配達到1.6%，綠光雷射器中則達到3.3%。嚴重的晶格失配會導致InGaN量子阱中出現晶體缺陷，降低輻射效率，縮短雷射器壽命。

p型GaN摻雜的Mg的電離能大，且隨著Al組分的升高而升高。因此，p型GaN中只有不到10%的受主雜質Mg電離出自由空穴，其餘未能電離的90%的Mg成了GaN基雷射器內部光損耗的主要來源，較大的內部光損耗會導致雷射器的閾值電流增大，斜率效率降低。

多量子阱有源區的空穴注入是不均勻的，不僅是因為空穴的有效質量大，也因為在多層雷射器結構中存在的勢壘。極化電場使有源區多量子阱的能帶發生傾斜，提高了空穴注入的勢壘，從而使得空穴從p側的量子阱區注入n側的量子阱區變得困難。這種不均勻的空穴注入會導致雷射器閾值電流增大而斜率效率降低。

二、發展過程

1994年赤崎勇和天野浩教授首先報導了基於氮化鎵雙異質結構、波長為402.5 nm的受激輻射。1996年日本日亞公司中村修二領導研製出世界上第一支GaN基紫光雷射器。從此，波長為405 nm的氮化鎵紫光雷射器的發展和應用推動了高密度光存儲、雷射直寫光刻和光固化產業的發展。2014年，氮化鎵基LED的發明者赤崎勇、天野浩和中村修二教授被授予當年的諾貝爾物理學獎。

此後，GaN基雷射器向藍綠光和紫外光波段進行拓展，特別是藍光波段，隨著襯底、外延、晶片和封裝技術的不斷進步，藍光雷射器的性能在不斷提升。

圖3、（a）氮化鎵/藍寶石模板和（b）GaN自支撐襯底的位錯缺陷對比（圖中暗斑為位錯缺陷）

在襯底方面，早期的氮化鎵雷射器生長在氮化鎵/藍寶石模板上，位錯密度在108cm-2量級，如今氮化鎵雷射器都生長在位錯密度為106cm-2量級或更低的氮化鎵自支撐襯底上，如圖3所示。

圖4、（a）由於外延結構各層生長條件差異大導致藍光雷射器結構中出現暗斑缺陷；（b）優化生長條件消除暗斑缺陷的雷射器外延片

圖5、以ITO代替部分p-AlGaN光限制層的

複合雷射器結構示意圖

在外延方面，主要是克服失配應力和生長條件差異的不利影響，提升外延材料質量，如圖4所示。而在雷射器結構方面，近年發展出以ITO為p型光限制層的複合雷射器結構，如圖5所示，這些進展都大幅提升了雷射器外延層的質量和器件性能。

在晶片方面，主要是製備低接觸電阻的歐姆接觸電極，降低雷射器的工作電壓。雷射器的散熱封裝也是保證其光功率輸出的關鍵，目前大功率藍光雷射器主要採用倒裝結構以降低其熱阻。國際上日本日亞公司和德國歐司朗公司報導了斜率效率1.8 W/A的藍光雷射器，在良好散熱封裝的條件下單管連續波輸出光功率4~5 W。

中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所的劉建平研究員課題組通過優化藍光雷射器p-AlGaN限制層的生長條件，優化量子阱結構和波導結構，研製出了高功率藍光雷射器，斜率效率已達到1.7 W/A，但在散熱封裝方面還存在差距，限制了其連續波光功率輸出。

為了提高綠光雷射器量子阱的發光均勻性和效率，該課題組也做了大量的努力，並製備了以ITO為上限制層的複合結構綠光雷射器，準連續工作條件工作下光輸出功率達到了500 mW。部分優秀研究成果發表在《中國雷射》2020年第47卷第7期（原文連結）。

GaN雷射器的發展推動了大色域雷射顯示、高亮度雷射照明和金屬加工等技術的革新。

由於雷射的單色性，有紅綠藍三色雷射為光源的雷射顯示可以顯示自然界色彩的90%，是液晶電視的2倍。2020年7月17日，海信推出了色域為151%的雷射電視，電視色彩還原度更為真實、豔麗。由於雷射具有良好的方向性，GaN基藍色雷射器與螢光粉構成的的汽車大燈的光強是LED的1.7倍，照明距離也相較於LED更遠，可以達到700米，已應用於寶馬i7等車型。

由於銅、金等金屬對藍色雷射的吸收係數比紅外雷射高一個數量級，氮化鎵藍光雷射通過雷射合束技術已應用於金屬加工，美國NUBURU公司、德國Laserline公司、日本島津公司和國內深圳聯贏公司都推出了連續波1000 W以上光功率的藍色雷射系統。日本島津也報導了應用於水下通信的光WiFi系統。

三、前景與挑戰

隨著襯底、外延和器件的製備和封裝技術的進步，特別是採用導電透明氧化物為雷射器光腔限制層，為像GaN材料體系這樣性質差異大的半導體雷射器提供了新的研究思路，有望進一步提高氮化鎵雷射器性能。

未來GaN基藍光雷射器的效率將進一步提升，接近GaAs基紅外雷射器的電光轉化效率。在此基礎上，增加單管雷射器的發光區寬度和長度，單管雷射器的光功率可以進一步提升，並結合正在發展的GaN雷射器的光束整形和合束技術，將實現更高功率的雷射器模組。氮化鎵雷射器的應用也將更加廣泛。

垂直腔GaN雷射器具有光束質量好、易形成面陣、功耗低的優勢，高質量DBR反射鏡的製備是其關鍵核心技術。近年來發展了多種DBR的製備技術，器件性能得到很大的提高，其中垂直腔藍光雷射器的性能已達到實用化的水平，但DBR反射鏡仍然是限制其大規模量產的瓶頸。

GaN基雷射器的波長也在向綠光和紫外拓展，但仍存在很大的挑戰。目前綠光雷射器的光功率和效率遠低於藍光雷射器，導致紅綠藍三基色雷射電視的成本遠高於採用藍色雷射器激發螢光粉的雷射電視，但是藍色雷射器激發螢光粉的技術方案犧牲了雷射顯示的大色域優勢。因此提升綠光雷射器的性能仍然是一個急需攻克的挑戰。

在紫外雷射器方面，目前還沒有實現其電注入連續波工作，其瓶頸是高Al組分的p型摻雜，導致雷射器的串聯電阻非常高，這是實現高性能紫外雷射器需要攻克的挑戰。

全文連結：

胡磊,張立群,劉建平,黃思溢,任霄鈺,田愛琴,周偉,熊巍,李德堯,池田昌夫,楊輝. 高功率氮化鎵基藍光雷射器[J]. 中國雷射, 2020, 47(7): 0701025

課題組介紹

中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所氮化鎵雷射器課題組承擔了多項氮化鎵雷射器方面的國家重點研發計劃課題、國家基金委重點項目和中科院先導專項，研製出國內第一支室溫連續工作的GaN綠光雷射器和大功率藍光雷射器。

在Nature Photonics、Appl. Phys. Lett.、Optical Express、Light: Sci & Appl.等期刊發表SCI收錄論文100餘篇。課題組負責人劉建平

來自：劉建平 胡磊 愛光學 江蘇雷射聯盟轉載