張 洋， 徐 鵬

（上海理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200093）

GaN材料作為第三代半導(dǎo)體材料，有著更為獨(dú)特的性質(zhì)。通過對(duì)GaN及其多元合金AlGaN，AlGaInN組分的調(diào)節(jié)，可以得到0.7～6.2 eV連續(xù)可調(diào)的帶隙，理論上可以實(shí)現(xiàn)從紅外到深紫外波段的發(fā)光[1-2]。GaN基激光器具有廣泛的應(yīng)用，藍(lán)紫光激光器用于激光光盤儲(chǔ)存器，可以極大地增加光盤的儲(chǔ)存密度，藍(lán)光、綠光激光器相較于LED具有亮度高、光源效率高和體積小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于激光照明與激光顯示領(lǐng)域。隨著激光器生長技術(shù)與制備工藝的不斷發(fā)展，激光器的閾值電流密度與電壓都在不斷下降，功率與壽命得到不斷提高，現(xiàn)有激光器的壽命可達(dá)上萬小時(shí)，已廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)。

1 GaN基激光器的應(yīng)用

GaN基激光器在激光顯示、激光打印、激光測(cè)量、激光照明以及通信等領(lǐng)域有非常廣闊的應(yīng)用前景。

1.1 激光顯示

由于激光有很多優(yōu)點(diǎn)，比如：發(fā)光定向性好、亮度高、顏色純、能量密度大等。激光可以作為顯示領(lǐng)域的杰出固態(tài)光源，其由高純度的紅、藍(lán)、綠三基色所構(gòu)成的激光光源圖像顯示技術(shù)，是投影顯示技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)所在。相比于其他顯示技術(shù)，激光顯示具有色域?qū)挕⒅赶蛐院?、光電轉(zhuǎn)換效率高、污染小、壽命長、體積小等優(yōu)點(diǎn)，是大型電視和投影機(jī)光源的最佳選擇[3]。使用紅色、藍(lán)色和綠色的激光二極管進(jìn)行渲染使其顯示色域可達(dá)90%以上，比其他顯示技術(shù)顏色范圍的大2倍以上[4]。在2018年美國CES展上，海信公司發(fā)布了80/88/100/150英寸（1英尺=2.54 cm）等多種規(guī)格的激光電視[5]。2019 年春晚期間，深圳會(huì)場(chǎng)更是采用了54臺(tái)ALPD激光投影機(jī)，打造未來云巴車廂內(nèi)部投影，以及未來云軌車身及背景投影，投影總面積達(dá) 2 000 m2[6]。GaN 基激光器的激光顯示技術(shù)將引領(lǐng)未來顯示領(lǐng)域的發(fā)展走勢(shì)。

1.2 激光打印

熱敏打印機(jī)存在打印的紙張?jiān)诳拷鼰嵩磿r(shí)會(huì)變臟的問題。噴墨打印機(jī)打印速度慢，一次印刷面積很窄。而激光打印則沒有以上打印方式的缺點(diǎn)，其沒有特殊的紙張要求，打印成本低，打印面積廣，打印速度快。目前市面上的激光打印機(jī)，在打印單色文檔時(shí)，可達(dá)12 000頁/h，打印彩色文檔時(shí)，可達(dá)6 000頁/h。激光打印不同于傳統(tǒng)打印機(jī)的走紙方式，在單面和雙面打印時(shí)都有較快的速度體驗(yàn)，逐漸取代市面上其他打印機(jī)。隨著激光打印技術(shù)的不斷普及，激光打印成為企業(yè)辦公中不可或缺的一項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)。激光打印技術(shù)不僅應(yīng)用于平面打印，也可用于3D打印。2017年，美國研制出首臺(tái)飛秒激光3D打印機(jī)[7]。激光3D打印技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，在汽車、航空航天、醫(yī)療教育和工程建筑等方面都有十分重要的應(yīng)用。2019年3月，中國航天科工159廠[8]研制出當(dāng)時(shí)國內(nèi)最大尺寸的選擇性激光燒結(jié)3D打印機(jī)，標(biāo)志中國在激光3D打印領(lǐng)域也有了長足的進(jìn)步。激光打印為人們生活的方方面面帶來了便利。

1.3 激光照明

1993年，GaN基藍(lán)光LED芯片被發(fā)明之后，人類進(jìn)入了白光照明的新時(shí)代。LED照明發(fā)展至今，由于其本身的限制，已到了瓶頸期。激光照明因其自身的優(yōu)勢(shì)，成為取代LED照明的新寵。激光照明原理與LED照明相似，利用藍(lán)光激發(fā)熒光粉獲得黃光，利用黃光和藍(lán)光混合輸出白光。但激光照明相較LED照明，有亮度高、效率高和可調(diào)制性好等優(yōu)點(diǎn)。激光的發(fā)散角度小，這使得激光照明的光源效率達(dá)60%以上，遠(yuǎn)高于LED的30%～40%的光源效率[9]。汽車大燈多使用激光照明，如奧迪、寶馬等廠商在最新款車型上均采用激光照明，其照射距離是LED照明的2倍，且尺寸僅相當(dāng)于LED的1/5，這給汽車的外形提供了更大的設(shè)計(jì)空間。在投影方面，亮度在5 000流明以上的LED價(jià)格十分高昂，相比之下，激光照明則要便宜很多。而10 000流明以上的亮度更是激光照明的獨(dú)占領(lǐng)域，目前的LED照明技術(shù)對(duì)其望塵莫及。

2 GaN基激光器的研究進(jìn)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，如圖1所示。自此以第三代半導(dǎo)體GaN基激光器成為了半導(dǎo)體領(lǐng)域科研工作者研究的熱點(diǎn)。隨著研究的不斷進(jìn)展與設(shè)備技術(shù)的不斷更新，使得GaN基激光器的性能和可靠性都有了不斷的提高。如今，市面上已經(jīng)成熟商用的GaN基激光器產(chǎn)品的波長已覆蓋紫光、藍(lán)光和綠光。

圖 1 InGaN 多量子阱激光器結(jié)構(gòu)[10]Fig. 1 Laser structure of InGaN multi-quantum well[10]

2.1 GaN基紫光激光器

1995年，Nichia公司利用雙流金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積方法，在藍(lán)寶石的c面（0001）襯底上進(jìn)行生長，如圖1所示，其使用增益波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，得到了閾值電流為 1.7 A，閾值電壓為 34 V，激射電流密度為 4 kA/cm2，激射波長范圍為 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]改變波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為脊型，如圖2所示，實(shí)現(xiàn)了激光器閾值電流下降為增益波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的一半，激射電壓下降為24 V。

圖 2 InGaN 多量子阱脊型激光器結(jié)構(gòu)[11]Fig. 2 Ridge laser structure of InGaN multi-quantum well[11]

1996年9月，其對(duì)p層的生長條件進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)改變了摻雜條件和工藝，使閾值電壓降為8 V，但其閾值電流密度高達(dá) 9 kA/cm2，導(dǎo)致該激光器的壽命僅 1 s[12]。1997 年，Nakamura等[13]對(duì)有源區(qū)進(jìn)行Si摻雜，獲得了閾值電流密度為3.6 kA/cm2，閾值電壓為 5.5 V，輸出功率為 1.5 mW，壽命為 27 h的激光器。由于襯底的位錯(cuò)密度對(duì)激光器的壽命影響較大，科學(xué)家開始改進(jìn)生長條件來降低位錯(cuò)密度進(jìn)而延長激光器的使用壽命。1996年10月，Nakamura等[14]通過調(diào)制摻雜應(yīng)變層超晶格結(jié)構(gòu)，得到閾值電流密度5 kA/cm2，閾值電壓密度為6 V的激光器，其在室溫下壽命超過 10 000 h。1999 年，Nakamura等[15]報(bào)道實(shí)現(xiàn)在50 ℃的環(huán)境溫度下，5 mW恒定輸出功率下的激光二極管壽命超過1 000 h。在這些高功率和高溫操作條件下，估計(jì)壽命約為 3 000 h。至此，GaN基激光器的制備技術(shù)逐漸成熟，科研人員開始研究如何進(jìn)一步的提高激光器的效率和輸出功率。2003年，Sony公司[16]和Nichia公司分別推出輸出功率為0.94 W和10.00 W的GaN基紫光激光器。2012年，Sony公司利用鎖模和光放大技術(shù)獲得了300 W功率和1 GHz重復(fù)頻率的藍(lán)紫光脈沖激光，其發(fā)光波長為405 nm[17]。國內(nèi)，中科院半導(dǎo)體所在2004年實(shí)現(xiàn)GaN基紫光激光器的首次室溫脈沖激射[18]。2007年實(shí)現(xiàn)連續(xù)激射[19]，2010 年實(shí)現(xiàn)閾值電壓為 6.8 V，閾值電流密度為 2.4 kA/cm2，激射波長為 413.7 nm 的 GaN 基紫光激光器[20]。2017年，北京中科院半導(dǎo)體所生長出尺寸為 10 μm×600 μm 脊型結(jié)構(gòu)的 GaN 基紫光激光器，其室溫條件下閾值電流密度和閾值電壓分別為：1.5 kA/cm2和 5.0 V，在電流密度為 4.0 kA/cm2時(shí)，輸出功率可達(dá)80 mW[21]。2018年9月，中科院半導(dǎo)體所報(bào)道室溫直流注入下藍(lán)紫激光二極管的受激發(fā)射波長和峰值光功率分別在413 nm和600 mW以上。此外，閾值電流密度和電壓分別為1.46 kA/cm2和4.1 V。而且，在室溫連續(xù)波工作下，壽命超過1 000 h[22]。

2.2 GaN基藍(lán)光和綠光激光器

GaN基藍(lán)光和綠光激光器相較于GaN基紫光激光器主要難點(diǎn)在于量子阱中In組份變高導(dǎo)致的激光器激射閾值增加[23]，熱穩(wěn)定性變差、有源區(qū)的生長對(duì)襯底位錯(cuò)密度要求高等問題。因此，GaN基藍(lán)綠光激光器的生長，需要對(duì)激光器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化、有源區(qū)的生長條件進(jìn)行優(yōu)化等。1999年，Nichia公司[24]實(shí)現(xiàn)了激射波長為450 nm，閾值電壓為6.1 V，閾值電流密度為 4.6 kA/cm2，輸出功率為5 mW，室溫下工作壽命為200小時(shí)的GaN基單量子阱藍(lán)光激光器。2001年實(shí)現(xiàn)閾值電流密度3.3 kA/cm2，閾值電壓 4.6 V，壽命 3 000 h 的 GaN 基藍(lán)光激光器。2015年，Nichia公司報(bào)道的藍(lán)光激光器壽命達(dá) 25 000 h，其閾值電流密度為 0.68 kA/cm2，輸出功率為 4.1 W，峰值波長為 455 nm。2006年，Osram公司[25]報(bào)道了脈沖激光功率為3.4 W的藍(lán)光激光器。2015年，其藍(lán)光激光器輸出功率為4.1 W。2017年，由 Sony公司報(bào)道465 nm GaN基藍(lán)光激光器，在3.0 A條件下可實(shí)現(xiàn)輸出功率為5.2 W的連續(xù)工作，其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)37%，如圖3所示[26]。

2019年3月，Nakatsu等[27]研制出藍(lán)光激光器，在電流為3 A連續(xù)工作時(shí)，其電壓和輸出功率分別為4.03 V和5.25 W，光電轉(zhuǎn)換效率為43.4%。相較于GaN基紫光激光器和GaN基藍(lán)光激光器，綠光激光器在2008年由Nichia公司[28]進(jìn)行首次報(bào)道，其閾值電流密度為 3.3 kA/cm2，激射波長為 488 nm。2009 年，實(shí)現(xiàn)了輸出功率 5 mW 下壽命達(dá) 5 000 h，激射波長為510～515 nm的綠光激光器[29]。2013年實(shí)現(xiàn)輸出功率1.01 W，激射波長為525 nm的大功率綠光激光器。2015 年實(shí)現(xiàn)壽命可達(dá) 25 000 h，激射波長為525 nm的綠光激光器。2017年12月，Sony公司[25]實(shí)現(xiàn)世界上首個(gè)530 nm，最大輸出功率可達(dá)2 W的GaN基綠光激光器，在1.2 A條件下可實(shí)現(xiàn)輸出功率1 W的連續(xù)工作。2019年3月，Nakatsu等[27]研制出532 nm綠光激光器，在電流為1.6 A時(shí)，其輸出功率為1.19 W，光電轉(zhuǎn)換效率為17.1%，此外，還報(bào)道成功制備出543 nm綠光激光器。國內(nèi)，于2009年由中科院半導(dǎo)體所首次實(shí)現(xiàn)藍(lán)光激光器脈沖激射，2012年中科院蘇州納米所實(shí)現(xiàn)藍(lán)光激光器連續(xù)激射。2014年，中科院蘇州納米所實(shí)現(xiàn)綠光激光器首次注入式激射，如圖4所示[30]。

圖 3 藍(lán)激光在 25 ℃ 下發(fā)射的連續(xù)激光光譜[26]Fig. 3 Continuous laser spectrum emitted by blue laser at 25 ℃[26]

圖 4 綠激光在閾值電流以下和以上的EL光譜[30]Fig. 4 EL spectra of green laser below and above threshold current[30]

2016年，中科院蘇州納米所生長的綠光激光器最低閾值電流密度為 1.8 kA/cm2，激射波長為 508 nm。

3 GaN基激光器可靠性研究進(jìn)展

隨著GaN基激光器的不斷發(fā)展，人們對(duì)激光器的可靠性問題更加關(guān)注。高輸出功率、低閾值電流密度的激光器不斷被進(jìn)一步報(bào)道，市場(chǎng)上商用的激光器日漸廣泛，但對(duì)激光器相關(guān)的退化機(jī)制研究仍舊不多。對(duì)于弄清激光器退化的原因及機(jī)制，從而消除或減少退化，以實(shí)現(xiàn)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現(xiàn)：伴隨著激光器工作時(shí)間的增加，激光器的電光轉(zhuǎn)換效率降低、發(fā)光效率會(huì)降低、電壓升高、波長發(fā)生移動(dòng)以及光譜的半高寬產(chǎn)生變化等。此外，激光器在工作過程中的可靠性不僅受環(huán)境的溫度以及濕度等因素的影響，也和其自身材料的質(zhì)量、激光器的制作工藝和封裝結(jié)構(gòu)有關(guān)系。GaN基激光器的主要退化模式有：激光器封裝退化、激光器的靜電損傷、激光器腔面退化、激光器芯片退化等。

3.1 GaN基激光器的封裝退化

激光器的封裝好壞與否直接決定了一個(gè)激光器的壽命及工作時(shí)的可靠性。激光器在大電流密度環(huán)境下進(jìn)行工作時(shí)，其電極的穩(wěn)定性就顯得十分重要。在長時(shí)間工作時(shí)，由于封裝的問題，電極所使用的金屬材料往往會(huì)和半導(dǎo)體材料之間發(fā)生擴(kuò)散的現(xiàn)象，導(dǎo)致原先的歐姆接觸受到結(jié)構(gòu)上的破壞，影響電流注入。電極與半導(dǎo)體材料間也有可能在接觸層產(chǎn)生空洞等缺陷，影響電流注入。此外由于封裝所使用的材料與電極之間的熱膨脹系數(shù)差異，使激光器在受熱時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力損傷激光器的結(jié)構(gòu)，如圖5所示[31-32]。

圖 5 未處理和 160 ℃ 處理的 LED 光學(xué)顯微照片[31]Fig. 5 Optical micrograph of the untreated and 160 ℃treated LED chips[31]

3.2 GaN基激光器的靜電損傷

靜電損傷是使電子器件產(chǎn)生失效的原因之一。半導(dǎo)體激光器在生產(chǎn)、測(cè)試、運(yùn)輸及存儲(chǔ)過程中，由于材料以及儀器設(shè)備和使用者之間發(fā)生摩擦產(chǎn)生高達(dá)幾千伏的靜電電壓，致使激光器發(fā)生失效。靜電損傷造成的半導(dǎo)體激光器的失效通常具有以下模式：（1）突發(fā)性失效，通常會(huì)產(chǎn)生多個(gè)電參數(shù)的突然失常，失去正常工作功能，如開路、短路等；（2）潛在性失效，當(dāng)帶電體的電勢(shì)較低時(shí)，一次靜電釋放不足使激光器發(fā)生突發(fā)性失效，但仍會(huì)對(duì)器件產(chǎn)生輕微損傷，這種損傷會(huì)積累下來，隨著靜電釋放次數(shù)的增加，器件的電參數(shù)會(huì)逐漸劣化，最終徹底失效。為保證激光器的正常工作需要對(duì)靜電損傷的進(jìn)行防護(hù)[33]。

3.3 GaN基激光器的腔面退化

激光器中含有諧振腔，激光器在工作時(shí)，內(nèi)部諧振腔的可靠性對(duì)激光器的可靠性起著十分重要的作用。工作中的激光器，其諧振腔的溫度和光場(chǎng)相對(duì)較高，容易使激光器的腔面發(fā)生退化。腔面的退化可分為兩種：（1）突變性損傷；（2）緩慢性損傷。二者導(dǎo)致的結(jié)果相同，但退化的原因不同。突變型損傷通常是光輸出密度較高，致使局部受熱嚴(yán)重，使腔面發(fā)生氧化，以及產(chǎn)生缺陷，造成腔面損傷；較高的光輸出密度也會(huì)使增加腔面的光吸收，導(dǎo)致局部升溫，引發(fā)局部融化，最終形成腔面損傷。緩慢性損傷通常是由于器件的使用時(shí)間不斷增加，腔面出的缺陷不斷增加，使腔面附近產(chǎn)熱變多，增加的產(chǎn)熱進(jìn)一步促使缺陷增加，如此反復(fù)累積，最終導(dǎo)致腔面退化損傷。此外，如圖6所示[34]，激光器的工作環(huán)境也會(huì)導(dǎo)致激光器發(fā)生腔面退化，如潮濕的環(huán)境。

圖 6 在水蒸氣環(huán)境下工作的半導(dǎo)體激光器的SEM圖[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見的激光器退化的原因。激光器的芯片退化常發(fā)現(xiàn)于壽命較長的激光器中，內(nèi)部的缺陷是導(dǎo)致其退化的主要原因。傳統(tǒng)的激光器芯片退化的缺陷主要有：點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)，如GaAs基激光器。GaN基激光器的芯片缺陷有點(diǎn)缺陷和穿透位錯(cuò)，如圖7所示[35]。

圖 7 TEM 觀察到的短節(jié)狀位錯(cuò)線[35]Fig. 7 Short segment dislocation lines observed by TEM[35]

GaN基激光器早期生長襯底為藍(lán)寶石，這使得芯片內(nèi)部會(huì)有大的穿透位錯(cuò)，嚴(yán)重影響激光器的使用壽命。后使用外延技術(shù)生長的GaN基激光器很好的降低了位錯(cuò)密度，是激光器的壽命達(dá)到了15 000 h。2006 年，Nagahama 等[36]對(duì)生長在 GaN 襯底上和SiC襯底上的激光器進(jìn)行對(duì)比，觀察到激光器有源區(qū)非輻射復(fù)合中心會(huì)隨著穿透位錯(cuò)的密度降低而降低，壽命隨穿透位錯(cuò)密度降低而延長。Rossetti等[37]在2008年對(duì)用分子束外延方式生長的激光器進(jìn)行退化研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)有源區(qū)附近會(huì)產(chǎn)生位錯(cuò)，通過微區(qū)光致發(fā)光光譜（photoluminescence spectroscopy, PL）觀察發(fā)現(xiàn)，位錯(cuò)并未在其他區(qū)域分布，他們認(rèn)為位錯(cuò)的產(chǎn)生致使非輻射復(fù)合中心的濃度增加，是影響壽命的原因。2010年，Meneghini團(tuán)隊(duì)[38]對(duì)激光器和LED退化情況進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，二者退化規(guī)律相同，得出激光器退化與脊型結(jié)構(gòu)無關(guān)。該團(tuán)隊(duì)[39]還對(duì)激光器工作環(huán)境與激光器退化的關(guān)系研究得出：（1）激光器失效率正比于激光器注入電流；（2）溫度會(huì)加速激光器的退化，但不影響其退化特征；（3）激光器的退化基本不受外部光場(chǎng)的影響。Takeya等[40]研究發(fā)現(xiàn)激光器的退化和缺陷擴(kuò)散有關(guān)，但并未確認(rèn)缺陷的類型。Meneghini團(tuán)隊(duì)在2014年對(duì)激光器使用微區(qū)PL和陰極熒光光譜（cathodoflurescent spectroscopy, CL）分析，發(fā)現(xiàn)退化后的有源區(qū)出現(xiàn)了PL和CL發(fā)光變?nèi)醅F(xiàn)象，且PL發(fā)光波長發(fā)生紅移現(xiàn)象。2015年，Marioli等[41]對(duì)商業(yè)綠光激光器研究發(fā)現(xiàn)，恒電流模式下導(dǎo)致閾值電流的增加，且與老化時(shí)間呈指數(shù)關(guān)系，有源區(qū)的點(diǎn)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基激光器的有源區(qū)發(fā)生了局部退化，其原因是因?yàn)榻饘冁壍男纬蓪?dǎo)致了局部組織的損傷，致使發(fā)生早期退化。De等[43]在2018年發(fā)現(xiàn)GaN基激光器可以受到與災(zāi)難性光學(xué)損傷無關(guān)的光子驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生退化，通過對(duì)PL光譜分析，認(rèn)為退化的一個(gè)可能的原因是鎵空位脫氫，它導(dǎo)致有源區(qū)缺陷的數(shù)量增加。缺陷的來源及導(dǎo)致激光器退化的本質(zhì)仍未有定論，激光器的退化機(jī)制還需要進(jìn)一步的深入研究。

4 結(jié) 語

GaN基半導(dǎo)體材料作為第三代半導(dǎo)體材料，由于其優(yōu)越的性能被應(yīng)用于各行各業(yè)。GaN基激光器自1995年被首次報(bào)道以來，二十幾年時(shí)間內(nèi)取得了巨大的進(jìn)展與廣泛的應(yīng)用。GaN基激光器在生長條件和制備工藝的摸索方面取得了很大的進(jìn)步，最新報(bào)道的藍(lán)光與綠光激光器輸出功率高達(dá)5.25 W和2 W，但相關(guān)退化機(jī)制的研究需要進(jìn)一步加強(qiáng)，讓人們對(duì)激光器的生長與退化機(jī)制有更加全面的認(rèn)識(shí)。第三代半導(dǎo)體材料GaN基激光器在當(dāng)今的信息化時(shí)代會(huì)有更加長遠(yuǎn)的應(yīng)用前景。