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