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