全球氮化镓激光器材料及器件研究现状

全球氮化镓激光器材料及器件研究现状

作者：刘建平杨辉

来源：《新材料产业》2015年第10期

氮化物半导体材料，也称为氮化镓（GaN）基材料，是继硅（Si）、砷化镓（GaAs）之后的第3代半导体材料，包含了GaN、氮化铝（AlN）和氮化铟（InN）及它们的合金（禁带宽度范围为0.7～6.2eV），是直接带隙半导体，是制作从紫外到可见光波段半导体激光器的理想材料。半导体激光器具有体积小、效率高、寿命长和响应速度快等优点，在信息科技等领域有广泛的应用，是光电子产业的龙头产品。氮化镓激光器在激光显示、激光照明、水下通信、生物医学等民用及军用领域有广泛应用。

一、GaN基激光器的应用

GaN基半导体激光器目前最引人注目的应用是激光显示。由于激光的高色纯度，按三基色合成原理在色度图上形成的色度三角形面积最大，色域覆盖了自然色彩的90%，而目前液晶电视、等离子体电视仅能达到40%，因而激光显示的图像具有更大的色域、更高的对比度，可以更真实地再现客观世界丰富、艳丽的色彩，更具表现力（见图1）。激光显示甚至被称为“人类视觉史上的革命”，在电视、家庭影院和投影机等领域具有巨大的应用前景。

在GaN基蓝光和绿光激光器研制成功以前，激光显示采用的激光光源为全固态激光器。相对于全固态激光器，半导体激光器具有很多优势，比如体积小、效率高、成本低、寿命长、波长连续可调、易调制等。因此随着GaN基蓝光和绿光激光器的发展和成熟，激光显示的激光光源正被直接半导体激光器所取代。三基色中的红光激光器采用AlGaInP红光激光器，而蓝光（445～450nm）和绿光（520～530nm）激光器则为GaN基激光器。2005年，Sony公司开发出了以GaN基蓝光激光器为光源的背投电视。2007年，上海三鑫科技发展有限公司采用GaN基蓝光激光器开发出了微型激光投影机。2014年，海信集团推出了采用GaN基蓝光激光器的激光影院系统。

GaN基紫光激光器波长短，可以用在光盘存储领域，增加光盘的存储容量。以通用的5英寸双面光盘为例，采用波长为670～690nm的红光半导体激光器，光盘存储容量为2.6GB，如采用波长为405nm的GaN激光器，相同尺寸光盘容量可达20GB以上，随着GaN基激光器输出功率的增加，光盘上数据层数也可相应地增加，其数据容量也可成倍地增加，Sanyo Electric 公司发布的激光二极管，脉冲输出功率为450mW，激光器可以以12倍速写入4层数据，光盘容量可达100 GB。

GaN基紫光激光器也可以在高分辨激光打印和印刷制版中大显身手。激光打印机可以直接从计算机中接收文字或图像，因此可以大大节省时间，加快速度，大幅度减少打印对环境带来的污染。目前激光打印机普遍采用红光激光器（808nm）作为激光光源。相对于红光激光器，GaN基紫光激光器（405nm）具有更短的工作波长，可获得更小的衍射光斑，因此采用GaN 基紫光激光器（405nm）作为激光光源，可以提高激光打印的分辨率，获得更高的印刷品质。 GaN基激光器除了在上述民用领域被广泛应用之外，在军事领域也具有广阔的应用前景。波长470～540nm的蓝绿光在海水中具有较低的吸收系数，因而具有较强的穿透能力，其传播距离可达600m，可用于深海探测和对潜通信。有研究表明，烟雾对紫光激光和红色激光的散射比不同，因而GaN基紫光激光器还可以用作具有抗烟雾干扰能力的激光引信。

随着GaN基激光器技术的日渐成熟、波长范围的不断扩展和输出功率的逐步增加，有理由相信一定会开辟出越来越多的应用领域，其市场规模将会进一步扩大。

二、GaN基激光器研究现状

国际上，自1996年12月日本日亚（Nichia）公司研制成功世界上第一只室温连续激射的GaN基紫光激光器以来，众多研究机构投入巨资进行GaN激光器的研究。近几年，受激光显示巨大市场需求的推动，GaN基激光器的研究重点转向蓝光和绿光激光器。

1.紫光激光器

波长为405nm左右的紫光激光器是最早研制成功的GaN基激光器，其最大的应用是高密度光学存储。1995年，日本Nichia公司研制出世界上第一个GaN基紫光激光器。1999年1月12日，Nichia公司宣布GaN基紫光激光器的商品化，波长400nm，工作电流40mA，工作电压5V，输出功率5mW，室温连续工作寿命超过10 000h。

虽然紫光激光器的技术已经成熟，但激光器输出功率相对较小，效率较低。目前很多研究都是围绕提升激光器的输出功率和效率展开的。2003年，Sony公司报道了单管GaN基激光器连续工作输出功率高达0.94W，阵列功率高达6.1W。Nichia公司的网站上亦销售连续工作输出功率达10W的GaN基激光器阵列。GaN基紫光激光器的另一个发展方向是在医学上有重要用途的皮秒激光器。2012年，Sony公司通过激光器锁模和光放大器，实现了405nm、300W和1GHz重复频率的脉冲激光。

在国内方面，2004年中科院半导体所和北京大学研制出GaN基紫光激光器。2010年中科院半导体所采用自支撑GaN衬底，进一步提升了激光器性能，实现了阈值电流密度

2.4kA/cm2，阈值电压6.8V，激射波长41

3.7nm的GaN基紫光激光器。

2.蓝光激光器

由于GaN基蓝光和绿光激光器在激光显示等领域具有巨大的应用前景，很多研究机构都致力于将激光器的激射波长扩展至蓝光和绿光范围。相对于紫光激光器，GaN基蓝绿光激光器的难点在于：①量子阱In组分增加，导致更大的In组分分布不均匀和应变，使激光器增益谱变宽，峰值增益下降；②量子阱In组分增加，热稳定性变差，在p型光学限制层生长过程中发生热退化，材料质量变差；③量子阱In组分增加导致极化电场增加，量子阱内电子和空穴波函数重叠下降，辐射复合几率下降；④由于折射率的色散，在相同限制层和波导层的情况下，激光器的限制因子随着波长的增加而减小，导致激光器模式增益降低。因此，为增加激光器的激射波长，需要对激光器的波导结构进行重新设计，采用InGaN波导，增加激光器的限制因子；同时提高生长技术，优化有源区和p型层的生长条件，降低激光器结构材料缺陷。

1999年9月，Nichia公司首次报道了横向外延GaN衬底上生长的单量子阱蓝光激光器，其激射波长为450nm，阈值电流密度和电压分别为4.6kA/cm2和6.1V，室温下输出5mW时寿命为200h。2001年3月，Nichia公司采用InGaN材料作为波导层，增强光学限制；同时改善有源区的晶体质量，器件的阈值电流密度下降为3.3kA/cm2，阈值电压降低到4.6V，50℃输出5mW时器件寿命达到3 000h。随着外延、芯片和散热封装技术的不断提升，激光器的输出功率和寿命在不断增加。2013年，Nichia公司报道了连续输出3.75W的蓝光激光器，激光器的