《有色金属材料与工程》：GaN基激光器的研究进展（上海理工大学材料科学与工程学院）

有色金属材料与工程 第41卷第1期 NONFERROUS METAL MATERIALS AND ENGINEERING Vol.41No.12020 文章编号:2096-2983(2020)01-0054-07 DOl:10.13258/ i cnkiname.2020.01.009 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) 摘要:GaN材料作为笫三代半导体材料具有十分独特的性能,其发光波段可以覆盖从红外到深紫 外波段。GaN材料击穿电场强、发光效率高,使其在显示、照明、通信等领域具有非常广泛的应 用。综述了GaN基激光器的发展历程及其失效和退化机制的研究进展。目前最新的蓝光GaN基 激光器在3A电流连续工作时的电压和输出功率为403V和525W;最新的绿光激光器波长为 532nm,在电流16A时,输出功率为1.9W。进一步阐述了GaN基激光器退化的主要表现,即 随着工作时间的延长,激光器发光效率降低、光转化效率降低以及电压升高。总结了四种主要的 退化模式,分别为封装退化、静电损伤、腔面退化和芯片失效. 关键词:GaN;激光二极管;LED;半导体激光器 中图分类号:TN365;TN2484文献标志码:A Research Progress of GaN-based Laser Diodes ZHANG Yang, XU Peng (School of Materials Science and Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China) Abstract: As the third generation semiconductors, GaN-based materials have very unique properties, and their emission wavelengths can cover from infrared to deep ultraviolet. GaN-based materials are widely used in display, lighting, communication and other fields due to their strong breakdown of electric field and high luminous efficiency. The development of GaN-based lasers and their failure and degradation mechanisms are reviewed. At present, the voltage and output power of the latest blue-light GaN-based laser are 4.03 V and 5.25 W at current of 3 A. The latest green laser has a wavelength of 532 nm and an output power of 1. 19 W at a current of 1.6 A. The main performance of GaN-based laser degradation is described, that is, with the increase of working time, the luminous efficiency decrease, the conversion efficiency decreases and the voltage increases. Four main degradation models are summarized, which are package degradation, electrostatic damage, cavity surface degradation and chip Keywords: GaN: laser diodes: LED; semiconductor laser GaN材料作为第三代半导体材料,有着更为独 AlGaInN组分的调节,可以得到07~62eV连续可 特的性质。通过对GaN及其多元合金 AIGaN,调的带隙,理论上可以实现从红外到深紫外波段的 收稿日期:201905-12 基金项目:国家自然科学基金青年科学基金资助项目(1170041343) 作者简介:张洋(1993—),男,硕士研究生。研究方向:半导体材料。Emai: yangzhang93@163.cm

文章编号：2096 − 2983(2020)01 − 0054 − 07 DOI: 10.13258/j.cnki.nmme.2020.01.009 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） 摘要：GaN 材料作为第三代半导体材料具有十分独特的性能，其发光波段可以覆盖从红外到深紫 外波段。GaN 材料击穿电场强、发光效率高，使其在显示、照明、通信等领域具有非常广泛的应 用。综述了 GaN 基激光器的发展历程及其失效和退化机制的研究进展。目前最新的蓝光 GaN 基 激光器在 3 A 电流连续工作时的电压和输出功率为 4.03 V 和 5.25 W；最新的绿光激光器波长为 532 nm，在电流 1.6 A 时，输出功率为 1.19 W。进一步阐述了 GaN 基激光器退化的主要表现，即 随着工作时间的延长，激光器发光效率降低、光转化效率降低以及电压升高。总结了四种主要的 退化模式，分别为封装退化、静电损伤、腔面退化和芯片失效。 关键词：GaN；激光二极管；LED；半导体激光器 中图分类号：TN 365；TN 248.4            文献标志码：A Research Progress of GaN-based Laser Diodes ZHANG Yang， XU Peng (School of Materials Science and Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China) Abstract: As  the  third  generation  semiconductors,  GaN-based  materials  have  very  unique  properties, and  their  emission  wavelengths  can  cover  from  infrared  to  deep  ultraviolet.  GaN-based  materials  are widely  used  in  display,  lighting,  communication  and  other  fields  due  to  their  strong  breakdown  of electric field and high luminous efficiency. The development of GaN-based lasers and their failure and degradation mechanisms are reviewed. At present, the voltage and output power of the latest blue-light GaN-based laser are 4.03 V and 5.25 W at current of 3 A. The latest green laser has a wavelength of 532 nm and an output power of 1.19 W at a current of 1.6 A. The main performance of GaN-based laser degradation is described, that is, with the increase of working time, the luminous efficiency decrease, the conversion  efficiency  decreases  and  the  voltage  increases.  Four  main  degradation  models  are summarized,which are package degradation, electrostatic damage, cavity surface degradation and chip failure. Keywords: GaN; laser diodes; LED; semiconductor laser 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 有 色 金 属 材 料 与 工 程 第 41 卷     第 1 期 NONFERROUS METAL MATERIALS AND ENGINEERING Vol. 41    No. 1    2020 收稿日期：2019−05−12 基金项目：国家自然科学基金青年科学基金资助项目（1170041343） 作者简介：张洋（1993—），男，硕士研究生。研究方向：半导体材料。E-mail：yangzhang93@163.com

第1期 张洋,等:GaN基激光器的研究进展 发光。GaN基激光器具有广泛的应用,蓝紫光激在汽车、航空航天、医疗教育和工程建筑等方面都 光器用于激光光盘储存器,可以极大地增加光盘的有十分重要的应用。2019年3月,中国航天科工 储存密度,蓝光、绿光激光器相较于LED具有亮度159厂研制出当时国内最大尺寸的选择性激光烧 高、光源效率高和体积小等优点,被广泛应用于激结3D打印机,标志中国在激光3D打印领域也有了 光照明与激光显示领域。随着激光器生长技术与制长足的进步。激光打印为人们生活的方方面面带来 备工艺的不断发展,激光器的阈值电流密度与电压了便利 都在不断下降,功率与寿命得到不断提高,现有激13激光照明 光器的寿命可达上万小时,已广泛地应用于各行各业。 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 GaN基激光器的应用 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 GaN基激光器在激光显示、激光打印、激光测量、原理与LED照明相似,利用蓝光激发荧光粉获得黄 激光照明以及通信等领域有非常广阔的应用前景。光,利用黄光和蓝光混合输岀白光。但激光照明相 11激光显示 较LED照明,有亮度高、效率高和可调制性好等优 由于激光有很多优点,比如:发光定向性好、亮点。激光的发散角度小,这使得激光照明的光源效 度高、颜色纯、能量密度大等。激光可以作为显示领率达60%以上,远高于LED的30%~40%的光源 域的杰出固态光源,其由高纯度的红、蓝绿三基色效率。汽车大灯多使用激光照明,如奥迪、宝马等 所构成的激光光源图像显示技术,是投影显示技术厂商在最新款车型上均采用激光照明,其照射距离 发展的趋势所在。相比于其他显示技术,激光显示是LED照明的2倍,且尺寸仅相当于LED的1/5, 具有色域宽、指向性好、光电转换效率高、污染小、这给汽车的外形提供了更大的设计空间。在投影方 寿命长、体积小等优点,是大型电视和投影机光源面,亮度在500流明以上的LED价格十分高昂, 的最佳选择使用红色、蓝色和绿色的激光二极相比之下,激光照明则要便宜很多。而10000明 管进行渲染使其显示色域可达90%以上,比其他显以上的亮度更是激光照明的独占领域,目前的LED 示技术颜色范围的大2倍以上。在2018年美国照明技术对其望尘莫及。 CES展上,海信公司发布了8088100/150英寸(1英 尺=254cm)等多种规格的激光电视。2019年春晚2GaN基激光器的研究进展 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 1995年,世界上第一支GaN基激光器由 Nichia 背景投影,投影总面积达200m1GaN基激光器公司的 Nakamura等研制成功,如图1所示。自 的激光显示技术将引领未来显示领域的发展走势。此以第三代半导体GaN基激光器成为了半导体领 12激光打印 域科研工作者研究的热点。随着研究的不断进展与 热敏打印机存在打印的纸张在靠近热源时会设备技术的不断更新使得GaN基激光器的性能和 变脏的问题。喷墨打印机打印速度慢,一次印刷面可靠性都有了不断的提高。如今市面上已经成熟 其没有特殊的纸张要求打印成本低打印面积广,和结<aN基激光器产品的波长已覆盖紫光、蓝光 积很窄。而激光打印则没有以上打印方式的缺点, 商用的 打印速度快。目前市面上的激光打印机,在打印单 p电极 色文档时,可达12000页/h,打印彩色文档时,可达 6000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 极 渐取代市面上其他打印机。随着激光打印技术的不 n- gaN 断普及,激光打印成为企业办公中不可或缺的一项 GaN缓存层 (0001)蓝宝石衬底 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 Ingan多量子阱激光器结构 光3D打印机。激光3D打印技术应用十分广泛,Fg1 Laser structure of In GaN multi-quantum well

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。 p电极 p-GaN p-Al0.15Ga0.85N p-Al0.2Ga0.8N n-Al0.15Ga0.85N n-In0.1G0.9N n-GaN n电极 (0001)蓝宝石衬底 GaN缓存层 InGan 多量子阱 n-GaN p-GaN 图 1 InGaN 多量子阱激光器结构[10] Fig. 1 Laser structure of InGaN multi-quantum well[10] 第 1 期 张    洋，等：GaN 基激光器的研究进展 55

有色金属材料与工程 2020年第41卷 2.1GaN基紫光激光器 激光器的首次室温脉冲激射。2007年实现连续 1995年,Ncha公司利用双流金属有机化合物激射,2010年实现阈值电压为68V,阈值电流密 化学气相沉积方法,在蓝宝石的c面(0001)衬底上度为24kAm2,激射波长为413.7nm的GaN基紫 进行生长,如图1所示,其使用增益波导结构,得到光激光器。2017年,北京中科院半导体所生长出 了阈值电流为17A,阈值电压为34V,激射电流密寸为10m×600pm脊型结构的GaN基紫光激光 度为4kAcm2,激射波长范围为410~417nm的器,其室温条件下阈值电流密度和阈值电压分别 GaN基紫光激光器,使GaN基激光器得到了零的突为:1.5kAm2和50V,在电流密度为40kA/cm2时, 破。1996年, Nakamura等間改变波导结构为脊输出功率可达80mW22018年9月,中科院半导 型,如图2所示,实现了激光器阈值电流下降为增益体所报道室温直流注入下蓝紫激光二极管的受激 波导结构的一半,激射电压下降为24V 发射波长和峰值光功率分别在413m和600mW 以上。此外,阈值电流密度和电压分别为146kA/cm p. gross 和4IV。而且,在室温连续波工作下,寿命超过 1000h2 22GaN基蓝光和绿光激光器 loo gos n GaN基蓝光和绿光激光器相较于GaN基紫光 蓝宝石衬底 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,热稳定性变差、有源区的 图2 In gaN多量子阱脊型激光器结构 生长对衬底位错密度要求高等问题。因此,GaN基 Fig 2 Ridge laser structure of InGaN 蓝绿光激光器的生长,需要对激光器的结构进行优 multi-quantum well 化、有源区的生长条件进行优化等。1999年, Nichia 1996年9月,其对p层的生长条件进行了优公司实现了激射波长为450m,阈值电压为 化,同时改变了掺杂条件和工艺,使阈值电压降为 6.IV,阈值电流密度为46kAcm2,输出功率为 8V,但其阈值电流密度高达9kAm2,导致该激光SmW,室温下工作寿命为20小时的GaN基单量 子阱蓝光激光器。2001年实现阈值电流密度 器的寿命仅15。1997年, Nakam等叫对有源3.3kAm,阈值电压46V寿命3000h的GaN基 区进行Si掺杂,获得了阈值电流密度为36kAcm,蓝光激光器。2015年,Nhia公司报道的蓝光激光 阈值电压为55V,输出功率为15mW,寿命为27h器寿命达25000其阈值电流密度为068kAm, 的激光器。由于衬底的位错密度对激光器的寿命 输出功率为4lW,峰值波长为455nm。2006年 影响较大科学家开始改进生长条件来降低位错Osam公司四报道了脉冲激光功率为34W的蓝 密度进而延长激光器的使用寿命。199年10月,光激光器。2015年,其蓝光激光器输出功率为4W Nakamura等通过调制掺杂应变层超晶格结构,2017年,由Som公司报道465mGaN基蓝光激光 得到阈值电流密度5kAm2,阈值电压密度为6V器,在30A条件下可实现输出功率为52W的连 的激光器其在室温下寿命超过100o。19年,续工作,其光电转换效率达37%如图3所示 Nakamura等吗报道实现在50℃的环境温度下 2019年3月, Nakatsu等研制出蓝光激光器 5mW恒定输出功率下的激光二极管寿命超过在电流为3A连续工作时,其电压和输出功率分别 1000h。在这些高功率和高温操作条件下,估计寿为403V和525W,光电转换效率为434%。相较 命约为3000h。至此,GaN基激光器的制备技术逐于GaN基紫光激光器和GaN基蓝光激光器,绿光 渐成熟,科研人员开始研究如何进一步的提高激光激光器在2008年由 Nichia公司悶进行首次报道, 器的效率和输出功率。2003年,Sny公司和其阈值电流密度为33kAm2,激射波长为488m。 Nichia公司分别推出输出功率为094W和1000W2009年,实现了输出功率5mW下寿命达5000h, 的GaN基紫光激光器。2012年,Sony公司利用锁激射波长为510~515nm的绿光激光器阿。2013年 模和光放大技术获得了300W功率和1GHz重复实现输出功率1.01W,激射波长为525nm的大功 频率的蓝紫光脉冲激光,其发光波长为405m。率绿光激光器。2015年实现寿命可达25000h,激 国内,中科院半导体所在2004年实现GaN基紫光射波长为525nm的绿光激光器。2017年12月

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。 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 ， p电极 p-GaN p-Al0.05Ga0.95N p-Al0.2Ga0.8N n-In0.05G0.95N n-Al0.05G0.95N n-GaN n-GaN n电极 蓝宝石衬底 GaN缓存层 InGan 多量子阱 p-GaN 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] 56 有 色 金 属 材 料 与 工 程 2020 年 第 41 卷

第1期 张洋,等:GaN基激光器的研究进展 =3.0A(CW) 3GaN基激光器可靠性研究进展 T=25℃ ea=464,8nm 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 480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 图3蓝激光在25℃下发射的连续激光光谱 工艺和封装结构有关系。GaN基激光器的主要退化 Fig3 Continuous laser spectrum emitted by blue laser at25℃26 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。 Sony公司实现世界上首个530m,最大输出功31GaN基激光器的封装退化 率可达2W的GaN基绿光激光器,在1.2A条件下 激光器的封装好坏与否直接决定了一个激光 可实现输出功率1W的连续工作。2019年3月,器的寿命及工作时的可靠性。激光器在大电流密度 Nakatsu等研制出532m绿光激光器,在电流为环境下进行工作时,其电极的稳定性就显得十分重 16A时其输出功率为119W光电转换效率为171%,要。在长时间工作时,由于封装的问题电极所使用 此外,还报道成功制备出543m绿光激光器。国的金属材料往往会和半导体材料之间发生扩散的 器脉冲激射2012年中科院苏州纳米所实现蓝光激∴导致原先的欧姆接触受到结构上的破坏影 光激光器首次注入式激射,如图4所示全 光器连续激射。2014年,中科院苏州纳米所实现绿 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 1.1la 光器在受热时,会产生热应力损伤激光器的结构 20 mA on wafer 如图5所示3 Position of 450475500525550575600 图4绿激光在阈值电流以下和以上的EL光谱 Fig4 EL spectra of green laser below and above Untreated threshold current 图5未处理和160℃处理的LED光学显微照片 2016年,中科院苏州纳米所生长的绿光激光器 Fig5 Optical micrograph of the untreated and 160 C 最低阈值电流密度为18kAcm2,激射波长为508mm。 treated LED chips

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]。 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]。 Intensity l=3.0 A (CW) TC=25℃ λpeak=464.8 nm Δλ~2 nm 450 460 470 480 Wavelength/nm 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] EL intensity 320 μm×320 μm 1.1 lth 20 mA on wafer λlasing=503 nm λspin=532 nm 450 475 500 525 Emission wavelength/nm 550 575 600 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] Position of the LED chip Untreated After stress at 160℃, no bias 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] 第 1 期 张    洋，等：GaN 基激光器的研究进展 57

有色金属材料与工程 0年第41卷 32GaN基激光器的静电损伤 34GaN基激光器的芯片退化 静电损伤是使电子器件产生失效的原因之 激光器的芯片退化是最常见的激光器退化的 半导体激光器在生产、测试、运输及存储过程中,由原因。激光器的芯片退化常发现于寿命较长的激光 于材料以及仪器设备和使用者之间发生摩擦产生器中,内部的缺陷是导致其退化的主要原因。传统 高达几千伏的静电电压,致使激光器发生失效。静的激光器芯片退化的缺陷主要有:点缺陷和位错, 电损伤造成的半导体激光器的失效通常具有以下如GaAs基激光器。GaN基激光器的芯片缺陷有点 模式:(1)突发性失效,通常会产生多个电参数的突缺陷和穿透位错,如图7所示。 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 33GaN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 图7TEM观察到的短节状位错线 作用。工作中的激光器,其谐振腔的温度和光场相Fig7 Short segment dislocation lines observed by tEM 对较高,容易使激光器的腔面发生退化。腔面的退 GaN基激光器早期生长衬底为蓝宝石,这使得 化可分为两种:(1)突变性损伤;(2)缓慢性损芯片内部会有大的穿透位错,严重影响激光器的使 伤。二者导致的结果相同,但退化的原因不同。突芯 用寿命。后使用外延技术生长的GaN基激光器很 变型损伤通常是光输出密度较高,致使局部受热严好的降低了位错密度,是激光器的寿命达到了 重使腔面发生氧化,以及产生缺陷,造成腔面损伤;15000h。2006年 Nagahama等圆对生长在GaN衬 较高的光输出密度也会使增加腔面的光吸收,导致底上和SC衬底上的激光器进行对比,观察到激光 局部升温,引发局部融化,最终形成腔面损伤。缓慢 器有源区非辐射复合中心会随着穿透位错的密度 性损伤通常是由于器件的使用时间不断增加,腔面降低而降低,寿命随穿透位错密度降低而延长。 出的缺陷不断增加,使腔面附近产热变多,增加的Rost等在2008年对用分子束外延方式生长 产热进一步促使缺陷增加,如此反复累积最终导的激光器进行退化研究时,发现有源区附近会产生 致腔面退化损伤。此外,如图6所示,激光器的工位错,通过微区光致发光光谱( photoluminescence 作环境也会导致激光器发生腔面退化如潮湿的 spectroscopy, P)观察发现位错并未在其他区域分 环境 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 队对激光器和LED退化情况进行对比发现, 者退化规律相同,得出激光器退化与脊型结构无 关。该团队咧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等向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 图6在水蒸气环境下工作的半导体激光器的 SEM图 团队在2014年对激光器使用微区PL和阴极荧光 Fig 6 SEM image of the semiconductor laser working 光谱( cathodoflurescent spectroscopy,CL)分析,发现 in water vapor atmosphere 退化后的有源区出现了PL和CL发光变弱现象

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。 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]。 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， 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] g 100 nm 图 7 TEM 观察到的短节状位错线[35] Fig. 7 Short segment dislocation lines observed by TEM[35] 58 有 色 金 属 材 料 与 工 程 2020 年 第 41 卷