中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室
GaN基蓝光激光器的诞生与发展
氮化镓基材料包括了氮化铟(InN)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)及其合金，被称为第三代半导体，其光谱覆盖了从近红外、可见光到深紫外全波段，在光电子学领域有重要的应用价值。其中GaN基蓝光LED的发明，引发了照明技术和产业的革命，三位日本学者赤崎勇、天野浩、中村修二因此获得了2014年诺贝尔物理学奖。而GaN基蓝光激光器更是高难度的光电子芯片和器件，受到了世界各国科学家的极大关注。
1996年，日本日亚公司成功研制出波长为417 nm的GaN蓝紫光半导体激光器，这也是世界上第一支GaN基半导体激光器。这一时期，新一代光学存储技术的兴起推动了GaN基激光器的首次繁荣发展，其主要目标是提升DVD光盘的存储容量。由于GaN基蓝紫光激光器波长较短，聚焦光点更小，相同尺寸的DVD光盘容量比普通CD盘提高了40倍以上，是普通家用DVD盘的6-7倍。在这一时期，用于DVD的激光器功率较小，然而，随着激光器功率的逐渐增大，1999年问世了使用寿命超过3000小时的蓝紫光激光器。
随着移动激光投影和激光电视等新型显示技术的兴起，GaN基激光器经历了第二次热潮。尽管AlInGaP基红光激光器已较为成熟，但早期的蓝光和绿光只能通过使用非线性晶体实现GaAs基长波长激光器频率的翻倍。这种技术需要庞大的光学对准系统和昂贵的非线性光学晶体。相比之下，GaN基激光器能够直接发出蓝绿光，在激光显示领域取得了重要应用。
在激光显示市场的推动下，GaN基激光器由紫光发展到蓝光和绿光波段。自1999年日亚公司首次报道450 nm的蓝光激光器以来，外延、芯片和散热封装技术的不断提升使激光器的输出功率和寿命持续增加，取得了重大进展。目前在市场上，日本日亚公司、德国欧司朗公司等都已经推出了5 W的蓝光激光器，其中日亚的整体性能水平处于世界领先水平。
在国内，中国科学院半导体研究所、中国科学院苏州纳米所、北京大学、厦门大学、清华大学等多家学术机构进行了GaN基激光器的深入研究，取得了显著成果。2004年，中国科学院半导体研究所实现了国内首次GaN基蓝紫光激光器电注入激射，使我国成为当时少数几个掌握核心芯片技术的国家之一。目前，中国科学院半导体研究所研制的GaN基蓝光激光器连续输出功率已达到6 W，还解决了可靠性难题，实现了寿命超过10000小时的GaN基蓝光激光器。
GaN基蓝光激光器的工作与外延原理
外延生长是GaN基蓝光激光器芯片制备的基础，Ⅲ-V族化合物半导体的气相外延方法主要有两种，分别是分子束外延(MBE)和金属有机物化学气相外延(MOCVD)。其中MBE是在超高真空(UHV)环境将元素源蒸发，经小孔准直后成为分子束喷射到衬底表面上形成薄膜。然而MBE生长速率极慢，而且UHV环境成本高。金属有机物化学气相淀积(MOCVD：Metal-organic Chemical Vapor Deposition)是一种新型气相外延生长技术。
图2是MOCVD外延生长原理示意图，通过载气将Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机源气体和V、VI族氢化物带入反应室中，反应室内的基座通过加热使反应物发生分解并通过质量输运在衬底上形成薄膜。MOCVD可以通过反应室中气体成分的快速变化来实现组分和掺杂的突变，因此可以生长多量子阱、超晶格等多层外延结构，而且生长速率快，设备运行成本低，已成为GaN基激光器首选的外延手段。
图2 MOCVD外延生长原理示意图
GaN基蓝光激光器制备的关键难题
GaN基激光器的制备过程涉及结构设计、外延生长、工艺流片和封装测试等多个关键步骤。其中外延生长作为基础过程，直接决定了激光器性能的上限，工艺和封装技术则影响了激光器的性能和可靠性。总的来说，GaN基激光器制备过程中存在一系列难点，主要包括以下几个方面：
（1）GaN同质衬底难题：早期GaN基激光器使用蓝宝石衬底，但由于晶格失配和热失配导致的缺陷和应力问题，导致位错密度增加，不利于激光器的长时间稳定工作。因此，制备大尺寸、低位错密度的GaN单晶衬底对于商业化生产至关重要。目前主要制备方法包括液相外延的钠熔剂法和氨热法，以及气相外延的氢化物气相外延(HVPE)技术。
（2）有源区材料质量：有源区采用InGaN/GaN多量子阱，而提高蓝光激光器波长需要增加InGaN量子阱中In的组分，导致材料生长难度增加。低温生长的InGaN量子阱容易导致表面形貌差，晶格失配和应变积累会引起量子阱质量恶化，影响激光器性能。
（3）光场限制问题：光学限制因子的提高对于实现高模式增益至关重要。为了将光场限制在波导层中，需要设计合理的波导结构。在GaN基激光器中，波导层和限制层之间的折射率对比度对于垂直和水平方向的光场限制都至关重要。在蓝光范围内，GaN和AlGaN对绿光的折射率对比度较小，需要通过采用特殊的结构或材料来增强光场限制。图3为光场限制对激光器性能影响示意图。
图3 光场限制对激光器性能影响示意图[1]
（4）p型（Al）GaN导电性难题：在GaN基激光器中，p型（Al）GaN主要通过Mg掺杂实现，但Mg的高激活能和自补偿效应导致p型（Al）GaN材料的低空穴浓度和高电阻。这对激光器的工作电压和温度稳定性产生负面影响。
（5）激光器腔面退化：对于大功率边发射激光器，腔面上的光功率密度较高，容易发生灾难性光学镜面损伤。图4是激光器腔面退化俯视图与正视图。在制备过程中，腔面的稳定性是至关重要的。一些成熟的技术，如腔面钝化技术和超高真空解理技术，可以在一定程度上抑制腔面的退化[2]。
图4 激光器腔面退化俯视图（左）和正视图（右）[2]
结束语
基于材料外延、激光器结构设计、激光器物理等研究基础，中国科学院半导体研究所研制出高性能GaN基蓝光激光器（条宽为30 μm，腔长为1200 μm），阈值电流密度为1.1 kA/cm2，激射波长为442 nm，室温连续输出光功率6 W，见图5，器件性能处于世界前列[3]，还实现了室温连续激射寿命超过10000小时的GaN基蓝光激光器[4]。国内蓝光激光器芯片的技术突破，必将在激光显示、激光加工等领域奏响炫彩交响乐章。
图5 室温连续6 W蓝光激光器的输出特性（左）以及激射光谱（右）[3]
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