hongkongdoll GaN基激光器的商议进展
GaN材料当作第三代半导体材料，有着更为私有的性质。通过对GaN过甚多元合金AlGaN，AlGaInN组分的调养，不错得到0.7～6.2 eV王人集可调的带隙，表面上不错完毕从红外到深紫外波段的发光[1-2]。GaN基激光用具有平庸的应用，蓝紫光激光器用于激光光盘储存器，不错极地面增多光盘的储存密度，蓝光、绿光激光器相较于LED具有亮度高、光源已矣高和体积小等优点，被平庸应用于激光照明与激光裸露范围。跟着激光器孕育技巧与制备工艺的抑遏发展，激光器的阈值电流密度与电压都在抑遏下落hongkongdoll，功率与寿命得到抑遏普及，现存激光器的寿命可达上万小时，已平庸地应用于五行八作。
1 GaN基激光器的应用GaN基激光器在激光裸露、激光打印、激光测量、激光照明以及通讯等范围有相等渊博的应用出息。
1.1 激光裸露由于激光有好多优点，比如：发光定向性好、亮度高、神态纯、能量密度大等。激光不错当作裸露范围的隆起固态光源，其由高纯度的红、蓝、绿三基色所组成的激光光源图像裸露技巧，是投影裸露技巧发展的趋势地点。比拟于其他裸露技巧，激光裸露具有色域宽、指向性好、光电更动已矣高、浑浊小、寿命长、体积小等优点，是大型电视和投影机光源的最好选择[3]。使用红色、蓝色和绿色的激光二极管进行渲染使其裸露色域可达90%以上，比其他裸露技巧神态范围的大2倍以上[4]。在2018年好意思国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，深圳会场更是给与了54台ALPD激光投影机，打造改日云巴车厢里面投影，以及改日云轨车身及配景投影，投影总面积达2 000 m2[6]。GaN基激光器的激光裸露技巧将引颈改日裸露范围的发展走势。
1.2 激光打印热敏打印机存在打印的纸张在围聚热源时会变脏的问题。喷墨打印机打印速率慢，一次印刷面积很窄。而激光打印则莫得以上打印步地的舛误，其莫得极度的纸张要求，打印资本低，打印面积广，打印速率快。咫尺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步地，在单面和双面打印时都有较快的速率体验，渐渐取代市面上其他打印机。跟着激光打印技巧的抑遏普及，激光打印成为企业办公中不成或缺的一项应用技巧。激光打印技巧不仅应用于平面打印，也可用于3D打印。2017年，好意思国研制出首台飞秒激光3D打印机[7]。激光3D打印技巧应用十分平庸，在汽车、航空航天、医疗教师和工程建筑等方面都有十分进击的应用。2019年3月，中国航天科工159厂[8]研制出其时国内最大尺寸的选择性激光烧结3D打印机，符号中国在激光3D打印范围也有了长足的当先。激光打印为东说念主们生计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，东说念主类参加了白光照明的新时期。LED照明发展于今，由于其本人的放荡，已到了瓶颈期。激光照明因其自身的上风，成为取代LED照明的新宠。激光照明旨趣与LED照明同样，应用蓝光引发荧光粉赢得黄光，应用黄光和蓝光夹杂输出白光。但激光照明相较LED照明，有亮度高、已矣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已矣达60%以上，远高于LED的30%～40%的光源已矣[9]。汽车大灯多使用激光照明，如奥迪、良马等厂商在最新款车型上均给与激光照明，其映照距离是LED照明的2倍，且尺寸仅零散于LED的1/5，这给汽车的外形提供了更大的缠绵空间。在投影方面，亮度在5 000流明以上的LED价钱十分腾贵，比拟之下，激光照明则要低廉好多。而10 000流明以上的亮度更是激光照明的独占范围，咫尺的LED照明技巧对其可望不成即。
2 GaN基激光器的商议进展1995年，宇宙上第一支GaN基激光器由Nichia公司的Nakamura等[10]研制告捷，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范围科研责任者商议的热门。跟着商议的抑遏进展与竖立技巧的抑遏更新，使得GaN基激光器的性能和可靠性都有了抑遏的普及。如今，市面上还是老练商用的GaN基激光器家具的波长已笼罩紫光、蓝光和绿光。
图 1
InGaN大量子阱激光器结构[10]
Fig. 1
Laser structure of InGaN multi-quantum well[10]
2.1 GaN基紫光激光器 1995年，Nichia公司应用双流金属有机化合归天学气相千里积要领，在蓝相持的c面（0001）衬底上进行孕育，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冲破[10]。1996年，Nakamura等[11]改革波导结构为脊型，如图2所示，完毕了激光器阈值电流下落为增益波导结构的一半，激射电压下落为24 V。
图 2
InGaN大量子阱脊型激光器结构[11]
Fig. 2
Ridge laser structure of InGaN multi-quantum well[11]
1996年9月，其对p层的孕育条目进行了优化，同期改革了掺杂条目和工艺，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，朴妮唛吧赢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，科学家初始改良孕育条目来裁汰位错密度进而延迟激光器的使用寿命。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，其在室温下寿命突出10 000 h。1999年，Nakamura等[15]报说念完毕在50 ℃的环境温度下，5 mW恒定输出功率下的激光二极管寿命突出1 000 h。在这些高功率和高温操作条目下，臆测寿命约为3 000 h。至此，GaN基激光器的制备技巧渐渐老练，科研东说念主员初始商议何如进一步的普及激光器的已矣和输出功率。2003年，Sony公司[16]和Nichia公司折柳推出输出功率为0.94 W和10.00 W的GaN基紫光激光器。2012年，Sony公司应用锁模和光放大技巧赢得了300 W功率和1 GHz相通频率的蓝紫光脉冲激光，其发光波长为405 nm[17]。国内，中科院半导体地点2004年完毕GaN基紫光激光器的初度室温脉冲激射[18]。2007年完毕王人集激射[19]，2010年完毕阈值电压为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孕育出尺寸为10 μm×600 μm脊型结构的GaN基紫光激光器，其室温条目下阈值电流密度和阈值电压折柳为：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，中科院半导体所报说念室温直流注入下蓝紫激光二极管的受引辐射波长和峰值光功率折柳在413 nm和600 mW以上。此外，阈值电流密度和电压折柳为1.46 kA/cm2和4.1 V。况且，在室温王人集波责任下，寿命突出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多[23]，热褂讪性变差、有源区的孕育对衬底位错密度要求高档问题。因此，GaN基蓝绿光激光器的孕育，需要对激光器的结构进行优化、有源区的孕育条目进行优化等。1999年，Nichia公司[24]完毕了激射波长为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，室温下责任寿命为200小时的GaN基单量子阱蓝光激光器。2001年完毕阈值电流密度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公司报说念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]报说念了脉冲激光功率为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公司报说念465 nm GaN基蓝光激光器，在3.0 A条目下可完毕输出功率为5.2 W的王人集责任，其光电更动已矣达37%，如图3所示[26]。
图 3
蓝激光在25 ℃下辐射的王人集激光光谱[26]
Fig. 3
Continuous laser spectrum emitted by blue laser at 25 ℃[26]
2019年3月，Nakatsu等[27]研制出蓝光激光器，在电流为3 A王人集责任时，其电压和输出功率折柳为4.03 V和5.25 W，光电更动已矣为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]进行初度报说念，其阈值电流密度为3.3 kA/cm2，激射波长为488 nm。2009年，完毕了输出功率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年完毕输出功率1.01 W，激射波长为525 nm的大功率绿光激光器。2015年完毕寿命可达25 000 h，激射波长为525 nm的绿光激光器。2017年12月，Sony公司[25]完毕宇宙上首个530 nm，最大输出功率可达2 W的GaN基绿光激光器，在1.2 A条目下可完毕输出功率1 W的王人集责任。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，光电更动已矣为17.1%，此外，还报说念告捷制备出543 nm绿光激光器。国内，于2009年由中科院半导体所初度完毕蓝光激光器脉冲激射，2012年中科院苏州纳米所完毕蓝光激光器王人集激射。2014年，中科院苏州纳米所完毕绿光激光器初度注入式激射，如图4所示[30]。
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]
2016年，中科院苏州纳米所孕育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基激光器可靠性商议进展跟着GaN基激光器的抑遏发展，东说念主们对激光器的可靠性问题愈加柔软。高输出功率、低阈值电流密度的激光器抑遏被进一步报说念，商场上商用的激光器日渐平庸，但对激光器商量的退化机制商议仍旧未几。关于弄清激光器退化的原因及机制，从而扬弃或减少退化，以完毕可靠性高的激光器是十分进击的。GaN基激光器主要有以下退化弘扬：伴跟着激光器责任期间的增多，激光器的电光更动已矣裁汰、发光已矣会裁汰、电压升高、波长发生出动以及光谱的半高宽产生变化等。此外，激光器在责任经由中的可靠性不仅受环境的温度以及湿度等身分的影响，也和其自体魄料的质地、激光器的制作工艺和封装结构商量系。GaN基激光器的主要退化模式有：激光器封装退化、激光器的静电损害、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横暴与否告成决定了一个激光器的寿命及责任时的可靠性。激光器在大电流密度环境下进行责任时，其电极的褂讪性就显得十分进击。在恒久间责任时，由于封装的问题，电极所使用的金属材料不息会和半导体材料之间发生扩散的征象，导致原先的欧姆战斗受到结构上的龙套，影响电流注入。电极与半导体材料间也有可能在战斗层产生浮泛等残障，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推广统统各别，使激光器在受热时，会产生热应力损害激光器的结构，如图5所示[31-32]。
图 5
未治理和160 ℃治理的LED光学显微像片[31]
Fig. 5
Optical micrograph of the untreated and 160 ℃ treated LED chips[31]
3.2 GaN基激光器的静电损害 静电损害是使电子器件产生失效的原因之一。半导体激光器在坐蓐、测试、运载及存储经由中，由于材料以及仪器竖立和使用者之间发生摩擦产生高达几千伏的静电电压，以至激光器发生失效。静电损害形成的半导体激光器的失效频繁具有以下模式：（1）突发性失效，频繁会产生多个电参数的一忽儿失常，失去平时责任功能，如开路、短路等；（2）潜在性失效，当带电体的电势较低时，一次静电开释不及使激光器发生突发性失效，但仍会对器件产生轻飘损害，这种损害会积存下来，跟着静电开释次数的增多，器件的电参数会渐渐劣化，最终透澈失效。为保证激光器的平时责任需要对静电损害的进行驻防[33]。
3.3 GaN基激光器的腔面退化激光器中含有谐振腔，激光器在责任时，里面谐振腔的可靠性对激光器的可靠性起着十分进击的作用。责任中的激光器，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）突变性损害；（2）幽闲性损害。二者导致的已矣交流，但退化的原因不同。突变型损害频繁是光输出密度较高，以至局部受热严重，使腔面发生氧化，以及产生残障，形成腔面损害；较高的光输出密度也会使增多腔面的光接管，导致局部升温，引发局部溶化，最终形成腔面损害。幽闲性损害频繁是由于器件的使用期间抑遏增多，腔面出的残障抑遏增多，使腔面近邻产热变多，增多的产热进一步促使残障增多，如斯反复累积，最终导致腔面退化损害。此外，如图6所示[34]，激光器的责任环境也会导致激光器发生腔面退化，如湿气的环境。
麻豆 夏雨荷
图 6
在水蒸气环境下责任的半导体激光器的SEM图[34]
Fig. 6
SEM image of the semiconductor laser working in water vapor atmosphere[34]
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，里面的残障是导致其退化的主要原因。传统的激光器芯片退化的残障主要有：点残障和位错，如GaAs基激光器。GaN基激光器的芯片残障有点残障和穿透位错，如图7所示[35]。
图 7
TEM不雅察到的短节状位错线[35]
Fig. 7
Short segment dislocation lines observed by TEM[35]
GaN基激光器早期孕育衬底为蓝相持，这使得芯片里面会有大的穿透位错，严重影响激光器的使用寿命。后使用外延技巧孕育的GaN基激光器很好的裁汰了位错密度，是激光器的寿命达到了15 000 h。2006年，Nagahama等[36]对孕育在GaN衬底上和SiC衬底上的激光器进行对比，不雅察到激光器有源区非辐射复合中心会跟着穿透位错的密度裁汰而裁汰，寿命随穿透位错密度裁汰而延迟。Rossetti等[37]在2008年对用分子束外延步地孕育的激光器进行退化商议时，发现存源区近邻会产生位错，通过微区光致发光光谱（photoluminescence spectroscopy， PL）不雅察发现，位错并未在其他区域漫步，他们以为位错的产生以至非辐射复合中心的浓度增多，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，二者退化章程交流，得出激光器退化与脊型结构无关。该团队[39]还对激光器责任环境与激光器退化的关系商议得出：（1）激光器失已矣正比于激光器注入电流；（2）温度会加快激光器的退化，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]商议发现激光器的退化和残障扩散商量，但并未阐发残障的类型。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发光变弱征象，且PL发光波长发生红移征象。2015年，Marioli等[41]对营业绿光激光器商议发现，恒电流模式下导致阈值电流的增多，且与老化期间呈指数关系，有源区的点残障的增多以至激光器退化。2016年，Wen等[42]商议早期失效的GaN基激光器的有源区发生了局部退化，其原因是因为金属镓的形成导致了局部组织的损害，以至发生早期退化。De等[43]在2018年发现GaN基激光器不错受到与不幸性光学损害无关的光子驱动产生退化，通过对PL光谱分析，以为退化的一个可能的原因是镓空位脱氢，它导致有源区残障的数目增多。残障的开头及导致激光器退化的骨子仍未有定论，激光器的退化机制还需要进一步的潜入商议。
4 结 语GaN基半导体材料当作第三代半导体材料，由于其优胜的性能被应用于五行八作。GaN基激光器自1995年被初度报说念以来，二十几年期间内取得了浩大的进展与平庸的应用。GaN基激光器在孕育条目和制备工艺的摸索方面取得了很大的当先，最新报说念的蓝光与绿光激光器输出功率高达5.25 W和2 W，但商量退化机制的商议需要进一步加强hongkongdoll，让东说念主们对激光器的孕育与退化机制有愈加全面的强硬。第三代半导体材料GaN基激光器在咫尺的信息化时期会有愈加永久的应用出息。
