如何提升高功率GaN藍光鐳射器的效能？

近年來，氮化鎵（GaN）基材料，包括GaN、InN、AlN及其合金，將半導體光電子器件的發光波長拓展到可見光和紫外波段，其中藍光發光二極體（LED）已被廣泛應用於照明、顯示等領域。

基於同種材料體系的GaN基鐳射器是一種高純度和高亮度的光源，在鐳射照明、鐳射顯示、資訊儲存及金屬加工等領域有巨大的應用前景，近年來受到了極大的關注。但在提升藍光鐳射器的效能方面卻面臨著瓶頸。

藍光鐳射器的研製難題

藍光鐳射器的研製有以下幾個難題：

鐳射器外延結構複雜，在生長過程中更容易形成缺陷，特別是高溫且長時間生長約500 nm的p-AlGaN限制層，容易造成量子阱的熱退化；

鐳射器的量子阱增益區需要均勻的載流子注入才能實現粒子數反轉，形成光增益，而藍光InGaN量子阱存在載流子注入嚴重不均勻的問題，空穴注入少的量子阱因難以實現粒子數反轉，而成為光吸收損耗區；

鐳射器對雜質敏感，鐳射是在光腔中經多次振盪放大形成的，因此，其對雜質吸收更敏感，且GaN材料中p型雜質的濃度很高，光吸收損耗大。

近年來，產業界在GaN藍光鐳射器方面取得了較大的進展。日本日亞化學工業株式會社報道了斜率效率為1。8 W/A、光功率約5 W的藍光鐳射器；索尼公司報道了斜率效率為1。8 W/A、光功率約5。2 W 的藍光鐳射器；德國歐司朗集團也報道了斜率效率為1。6 W/A、光功率為4。5 W 的藍光鐳射器。

雖然上述機構發表了鐳射器效能方面的論文，但是卻鮮有關於如何解決這些技術難題的報道。

如何解決藍光鐳射器的研製難題？

1.暗斑缺陷的抑制

用金屬有機化學氣相沉積外延裝置在c面GaN自支撐襯底上生長藍光鐳射器外延結構，GaN基藍光鐳射器結構如圖1所示。

圖1 氮化鎵基藍光鐳射器結構圖

採用不同的p-AlGaN限制層生長溫度生長藍光鐳射器外延片時，外延結構的熒光發光情況不同。藍光InGaN量子阱的生長溫度約為700℃，而500 nm的p-AlGaN限制層的生長溫度為900℃-1000 ℃，高溫生長能提高p-AlGaN限制層的材料質量，降低其電阻率。

但長時間高溫生長p-AlGaN限制層時，有源區中的InGaN易發生熱分解，有緣區中形成大面積的不發光區域，在熒光顯微鏡觀測中表現為暗斑。

圖2 不同p-AlGaN 限制層生長溫度下，藍光鐳射器外延片的熒光發光圖

（a）960 ℃ ；（b）950 ℃ ；（c）940 ℃

不同p-AlGaN限制層生長溫度下，藍光鐳射器外延片的熒光發光圖如圖2所示。隨著p型 AlGaN限制層生長溫度的降低，熒光發光圖顯示的暗斑數量明顯減少，當溫度降低到940 ℃時，p型限制層的電阻率並沒有明顯提高，但視野中的暗斑消失。

這表明

適當降低p-AlGaN限制層的生長溫度能有效抑制量子阱的熱退化，

與外延生長綠光鐳射器時所看到的現象相同，只是

綠光鐳射器的p-AlGaN需要更低的生長溫度才能抑制綠光量子阱的熱退化。

2.載流子分佈均勻性的影響

GaN材料的空穴有效質量大、遷移率低，空穴難以注入到n側量子阱。當藍光LED的MQW的量子壘厚度為13 nm時，注入的空穴只分布在最靠近p-GaN的量子阱中，降低量子壘厚度和高度，空穴的注入不均勻性得到了改善。

對於鐳射器而言，量子阱增益區需要均勻的載流子注入才能實現粒子數反轉，進而形成光增益，因此

最佳化設計量子阱結構對於改善載流子分佈至關重要

。

課題組製作了兩種不同壘厚的藍光鐳射器，輸出光功率-電流（P-I）曲線如圖3所示，薄壘的藍光鐳射器的閾值電流密度為1 kA/cm2，斜率效率為1。5 W/A，而厚壘的藍光鐳射器的閾值電流密度為1。4 kA/cm2，斜率效率比薄壘的藍光鐳射器低，僅為0。8 W/A。這是因為薄壘的藍光鐳射器量子阱內的空穴分佈更均勻，且具有更高的載流子注入效率，因此其斜率效率相對於厚壘的鐳射器更高。

圖3 不同壘厚的藍光鐳射器的輸出光功率-電流曲線

藍光鐳射器的器件特性

為了獲得鐳射器的內部光學損耗（αi）和載流子注入效率（ηinj）等內部引數，透過蒸鍍不同厚度和對數的SiO2/TiO2 前腔面介質膜，後腔面反射率均為95%，得到了三種不同前腔面反射率的藍光鐳射器，這三種鐳射器的P-I曲線如圖4（a）所示。

圖4 藍光鐳射器內部引數的獲取

（a）三種不同前腔面反射率的藍光鐳射器的P-I 曲線； （b）透過鏡面損耗和斜率效率擬合內部光學損耗和載流子注入效率的曲線

前腔面反射率為10%的藍光鐳射器的閾值電流密度為2。4 kA/cm2，斜率效率為1。6 W/A，而前腔面反射率為45%和82%的鐳射器的閾值電流密度分別為1 kA/cm2和0。6 kA/cm2，斜率 效率分別為1。1 W/A 和0。5 W/A。鐳射器的腔面損耗（αm ）由前後腔面的反射率與腔長決定，而

鐳射器的內部光學損耗和載流子注入效率決定了鐳射器的斜率效率(SE)

，斜率效率的計算式為：

式中：q為電子電荷；λ為波長；h為普朗克常數；c為光速。

電子電荷、波長、普朗克常數和光速為已知常量，將三種不同前腔面反射率的藍光鐳射器的斜率效率和上述公式擬合，可得到藍光鐳射器的內部光學損耗為6。8 cm-1，載流子注入效率為90%，如圖4（b）所示。

課題組透過製備和封裝脊形寬度為45 μm、腔長為1200 μm的藍光鐳射器，室溫下用脈衝條件測量鐳射器特性，脈衝寬度為0。4 μs，頻率為10 kHz，以減少熱效應。實驗結果如圖5。

圖5（a）中的圓點為不同電流下測量的光功率，所用脈衝電流源的最大輸出電流為2 A，但只測量到1。7 A。得到鐳射器的閾值電流密度為1 kA/cm2，斜率效率為1。65 W/A，對應擬合線為將光功率資料外推到3 A（6 kA/cm2電流密度下），預計3A下的輸出光功率能達到4 W。

圖5（a）中的黑色方塊為在直流工作條件下測量的光功率，可以看到

鐳射器閾值電流保持不變，但斜率效率明顯下降

，為1 W/A，在3 A（6 kA/cm2 電流密度）下，輸出光功率為2。2 W，

斜率效率的下降是因為封裝的散熱效能不佳所致。

鐳射器散熱不佳、結溫升高對P-I曲線的影響有兩方面：一是功率熱飽和；二是結溫升高導致kink出現。這裡藍光鐳射器的P-I曲線更符合後者。

圖5 藍光鐳射器的器件效能。（a）脈衝和直流工作條件下，脊寬為45 μm、腔長為1200 μm 的藍光鐳射器的P-I-V 曲線；（b）藍光鐳射器的激射光譜

結語

透過最佳化藍光鐳射器p-AlGaN限制層的外延生長溫度，抑制了量子阱的熱退化；在此基礎上，透過最佳化設計量子阱結構，改善了載流子分佈，研製出了高功率藍光鐳射器。利用變腔面反射率法擬合得藍光鐳射器的內部光學損耗為6。8 cm-1，載流子注入效率為 90%。

在脈衝工作條件下，脊寬為45 μm、腔長為1200 μm的藍光鐳射器的閾值電流密度為1 kA/cm2，斜率效率為1。65 W/A，在6 kA/cm2電流密度下，輸出功率能達到4 W。在連續工作條件下，在6 kA/cm2電流密度下，輸出功率達到2。2 W。最佳化封裝的散熱效果，能進一步提高連續工作條件下的輸出功率。

胡磊1，2 張立群2 劉建平1，2 黃思溢2 任霄鈺2 田愛琴2 周偉2 熊巍1，2 李德堯2 池田昌夫2 楊輝1，2

1 中國科學技術大學奈米技術與奈米仿生學院

2 中國科學院蘇州奈米技術與奈米仿生研究所奈米器件與應用重點實驗室

本文改編自：胡磊，張立群，劉建平等。高功率氮化鎵基藍光鐳射器［J］。中國鐳射，2020，47（7）：0701025

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