GaN基绿光激光二极管发展现状及趋势

杜小娟，刘 晶，董海亮，贾志刚，张爱琴，梁 建，许并社，5

(1.太原理工大学材料科学与工程学院，山西 太原 030024)

(2.航天科工防御技术研究试验中心，北京 100854)

(3.太原理工大学 新材料界面科学与工程教育部重点实验室，山西 太原 030024)

(4.太原理工大学轻纺工程学院，山西 太原 030024)

(5.陕西科技大学 材料原子·分子科学研究所，陕西 西安 710021)

1 前 言

从1995年第一支半导体激光二极管(laser diode，LD)诞生至今，半导体LD在医疗、通讯、激光显示等方面得到广泛应用，且逐渐向高功率、智能化和模块化方向发展，在国民经济建设、国防安全和科研领域发挥着关键作用[1，2]。其中GaN基绿光LD发展较晚，相对于GaN基蓝光LD，技术发展仍不成熟，性能较低。1997年，日本Nichia公司制备出第一个连续激射的420 nm GaN基蓝光LD，就此拉开了GaN基LD的序幕[3，4]；1996～2008年，GaN基绿光LD波长低于500 nm；直到2009年，Nichia公司才制备出波长为510 nm的LD，GaN基绿光LD的应用也因此得到突破；2009～2010年间，Nichia、Osram、Sumitomo、Corning、Soraa、UM、Sinano、SS、Rohm和UCSB几个研究团队突破了波长500 nm的限制，使GaN基绿光LD波长最高可达到523 nm。表1是2009～2016年间国外科研团队报道的绿光LD研究进展[5-25]。国内科研团队对绿光LD的研究也趋于成熟，2017年，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所Tang等[15]通过优化绿光量子阱界面消除界面缺陷，制备出了阈值电流为1.85 kA/cm2、输出功率58 mW的绿光LD；2017年，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究Liu等[15，26，27]在提高绿光LD有源区发光均匀性和发光效率方面取得了较多成果，在InGaN/GaN量子阱中生长1.8 nm的盖层，然后对其界面进行热退火处理，抑制了界面缺陷，减少了非辐射复合中心，提高了发光均匀性，提高了量子阱的内量子效率；通过增加衬底切割角，使绿光LD量子阱进行阶梯生长，增加了原子扩散距离，从而提高了量子阱的内量子效率。针对p-AlGaN限制层生长温度高导致的量子阱晶体质量差的问题，Liu等[28，29]提出通过调控p-AlGaN限制层掺杂和生长温度可降低热效应对量子阱晶体质量的影响，除此之外，还指出制备氧化铟锡(indium tin oxide，ITO)限制层可以抑制绿光LD InGaN有源区的恶化[30]。

表1 2009～2016年国外科研团队报道的绿光激光二极管发展历程

波长接近绿光波长区域时，GaN基绿光LD比蓝光LD的实现更具挑战性，内量子效率也明显降低[31，32]。目前，520～530 nm被认为是GaN基绿光LD的最佳波段。随着GaN基绿光LD在各个方面的广泛应用，对GaN基绿光LD的性能提出了更高的要求[33]，如何获得高功率、高可靠性和高光束质量的GaN基绿光LD成为研究重点[34]。2020年，李方直等[35]指出GaN基蓝绿LD面临高质量InGaN/GaN多量子阱制备难、内部光学损耗严重、空穴注入效率低和量子限制斯塔克效应4个方面的问题及解决方法。本文主要综述导致GaN基绿光LD功率低、光束质量差、可靠性差的关键问题以及对应的研究进展。首先，阐述通过降低阈值电流、减少电子泄漏和光子损耗的方式提高GaN基绿光LD的功率的研究；其次，总结通过优化LD外延结构设计、芯片类型等方法提高光束质量方面的进展；最后，针对GaN基绿光LD可靠性差的问题，总结器件性能退化的主要原因及解决方法。

2 实现高性GaN基绿光激光二极管的途径

2.1 提高GaN基绿光激光二极管功率的方法

功率是衡量GaN基绿光LD性能的关键性能参数之一。阈值电流、光子损耗和电子泄漏是影响输出功率的重要参数，因此，从阈值电流、电子泄漏以及光子损耗3个方面总结了GaN基绿光LD性能提升的主要方法。

2.1.1 阈值电流

阈值电流是影响GaN基绿光LD性能的重要技术参数之一。高内损耗和非辐射复合效率，易导致阈值电流增加，从而降低LD输出功率和转换效率。因此，通过分析导致高阈值电流的关键原因，可知优化设计外延结构是解决高阈值电流的主要方法。1962年，美国科学家Hall等[36]研制出第一代阈值电流密度为5×104～1×105A/cm2的LD；1968～1970年期间，单异质结和双异质结的LD问世，相比于同质结的LD，其阈值电流降低了一个数量级[33]；20世纪80年代，量子阱结构成功应用在GaAs基LD中，该LD阈值电流明显降低[37]；2013年，Banerjee等[38]在绿光量子点LD中借助声子辅助隧道使冷冻空穴从激发态直接变成基态进入量子点中，使空穴均匀地进入每一个量子点，在量子点中发生辐射复合，从而提高了内量子效率，降低了损耗，最终使LD阈值电流密度下降至945 A/cm2，图1是In0.32Ga0.68N/GaN量子点LD异质结构隧道注入示意图，隧道注入方案包括InGaN量子点层、InAlN隧道势垒和InGaN/GaN量子阱。因此，随着外延结构的不断优化，LD阈值电流随之降低，性能得到不断提高。

图1 In0.32Ga0.68N/GaN量子点激光异质结构隧道注入方案示意图，包括InGaN量子点层、InAlN隧道势垒和InGaN/GaN量子阱[38]

此外，针对GaN基绿光LD阈值电流高的问题，有研究人员通过优化设计量子阱结构来达到降低阈值电流的目的。2017年，Liang等[39]提出在电子阻挡层和最靠近p侧势垒之间插入掺杂的InGaN层，可减少电子泄漏，从而降低阈值电流。同时，Liang等[40]还提出将n-In0.08Ga0.92N和未掺杂In0.02Ga0.98N分别作为GaN基绿光LD的下波导层和势垒层，增强了光场限制，减少了GaN绿光LD光场向衬底泄漏；此外，进一步将较浅量子阱夹层引入InGaN/GaN绿光多量子阱中，提高了光限制能力，降低了阈值电流，从而提高了LD输出功率，图2是用于模拟计算的较浅量子阱LD的结构示意图[41]。诸多研究人员将四元化合物AlInGaN应用于GaN基绿光LD中，以减少外延材料极化效应，达到降低LD阈值电流的目的。早在2009年，陈伟华等[42]在(0001)蓝宝石衬底上外延生长了晶体质量较高的InGaN/AlInGaN多量子阱材料。然而，由于AlN、GaN和InN之间互溶性差，导致高质量四元AlInGaN外延材料难以生长。2018年，Cheng等[43]提出采用GaN/InGaN/GaN三角形量子势垒代替GaN或InGaN势垒能够明显降低LD阈值电流，这是由于此结构能降低极化效应，增加载流子限制，减少损耗，从而降低了LD阈值电流；Hu等[30]提出通过增加ITO限制层的方法解决p限制层生长温度高导致晶体质量差的问题，从而降低了光学损耗，提高了输出功率，该方法制备的GaN基绿光LD的阈值电流密度是普通绿光LD的1/3。首先，这主要是由于ITO在可见光谱内具有导电性和透明性，其吸收系数比其他金属低2个数量级，折射率比传统p-AlGaN限制层低，因此ITO能够为激光腔提供足够的光学限制；其次，ITO生长温度在300 ℃以下，能够减少p-AlGaN限制层的高温生长时间，从而有效缓解限制层生长温度高导致的量子阱晶体质量差的问题[35]。基于以上ITO相对于传统限制层的优点，2020年，Liu等[30]将ITO取代Pd/Pt/Au作为电极材料，结果表明，将ITO作为电极材料的LD的阈值电流和内损耗降低，斜率效率和输出功率提高，这是由于ITO LD量子阱受高温生长温度的影响减少，减少了晶体缺陷，从而减少了非辐射复合中心，同时还提高了空穴注入效率，增加了量子阱中的空穴浓度。2020年，Telegin等[44]还设计了掺杂宽波导结构的GaN基绿光LD，该方法减少了LD电子泄漏，从而降低了阈值电流。2020年，Zhou等[45]通过调控量子阱厚度实现了降低LD电流阈值的目的。

图2 用于模拟计算的较浅量子阱激光二极管的结构示意图[41]

为了将InGaN绿光LD的波长提高至绿光波段，量子阱中In组分含量高达30%，诸多研究者针对In含量增加对GaN基绿光LD性能的影响进行了研究。研究结果表明，In含量增加导致量子阱中易产生In偏析现象，量子阱有源区中增加了大量缺陷，并形成了非辐射复合中心，从而导致LD阈值电流升高，降低了斜率效率和功率。通过分别调控In组分和上波导层本底浓度及厚度可以有效解决量子阱中缺陷密度高和波导层光吸收严重导致的光子损耗问题，从而降低LD阈值电流[46]；Tian等[15]通过退火处理有效解决了在量子阱中In偏析的问题，提高了辐射复合效率，降低了阈值电流。

2.1.2 电子泄漏

电子泄漏是影响GaN基绿光LD性能的关键因素之一。外延结构设计对电子泄漏起着至关重要的作用。目前普遍采用调控电子阻挡层、势垒层和量子阱的方法来实现抑制电子泄漏的目的。

设计阻挡层是抑制电子泄漏的重要方法之一。诸多研究者对阻挡层结构进行了优化设计，以抑制GaN基绿光LD的电子泄漏。GaN基蓝光与绿光LD外延结构的关键区别是In组分的量子阱材料的不同，InGaN材料具有极强的极化效应，能带倾斜严重，降低了束缚电子的能力。电子阻挡层能有效抑制GaN基绿光LD的电子泄漏，1996年，Nakamura等[47]提出在量子势垒与p波导之间加入p型AlGaN电子阻挡层能有效抑制电子泄漏。设计外延结构时不仅要考虑抑制电子泄漏，还要考虑空穴的注入，通过提高有源区辐射复合效率，从而提高LD的输出功率和电光转换效率。通过优化电子阻挡层不仅可以抑制电子从有源区泄漏进入p侧，而且还能促进p侧空穴进入有源区，这主要是由于调控电子阻挡层能够减少能带弯曲，提高电子进入p侧势垒，降低空穴进入有源区势垒，从而提高有源区的载流子浓度。采用Al组分渐变AlGaN电子阻挡层可使带隙变宽，增加电子泄露势垒高度，降低空穴注入势垒高度，从而有效提高空穴注入效率并降低电子泄露[48-50]。然而，相比于优化AlGaN电子阻挡层，通过调控四元AlInGaN的Al/In的比率，不仅可使带隙宽度在很大的范围内变化，而且可使四元AlInGaN晶格常数与p侧第一个量子阱很好地匹配，从而内建电场减小，极化效应降低，空穴注入效率提高[51-53]。

优化势垒层也是减少电子泄漏的重要方法之一。2006～2013年，多个研究团队都提出采用AlGaN/GaN多量子势垒代替AlGaN阻挡层，从而达到减少电子泄漏的目的[54-56]，通常采用的方法是调控势垒厚度和势垒高度。2018年，Liang等[57]提出非对称多量子阱中最后添加一个薄势垒的结构可以降低压电极化效应，从而减小电子泄漏。多个课题组[48-50]采用渐变铝成分的AlGaN阻挡层减小了电子泄漏，提高了空穴向有源区的注入。Kuo等[51]采用极性匹配四元AlInGaN电子阻挡层，降低了极化效应，达到了抑制电子泄漏和提高空穴注入的目的。单一电子阻挡层抑制电子泄漏的效果不理想，可采用复合结构的电子阻挡层有效降低电子泄漏，2014年，Le等[58]在电子阻挡层前加入未掺杂InGaN薄层，有效抑制了电子泄漏，降低了阈值电流，图3是传统和插入未掺杂InGaN/GaN的新结构LD示意图，新结构LD将5 nm In0.05Ga0.95N和5 nm GaN作为靠近p侧的量子垒，代替了传统的10 nm GaN势垒。

图3 传统和新激光半导体结构示意图[58]

优化量子阱也是有效抑制电子泄漏的方法之一。2020年，Usman等[50]提出一种In组分渐变InxGa1-xN单量子阱结构，该结构有效抑制了电子泄漏，提高了辐射复合效率，提高了LD输出功率。2020年，Zhou等[45]采用优化量子阱厚度的方法解决了量子阱太薄导致电子产生泄漏的问题，提高了LD内量子效率。

2.1.3 光子损耗

光子损耗是导致绿光LD输出功率降低的关键因素之一。目前主要通过调控波导层、限制层、p型掺杂层以及GaN衬底取向的途径来降低光子损耗。波导层对GaN基绿光LD光场分布有着重要影响。众多研究人员研究了波导结构对GaN基绿光LD光学性能的影响。2010年，Huang等[59]通过调控波导层组分和厚度，提高了波导层的光限制能力，从而降低了LD光学损耗。2017年，Liang等[39，40]采用厚的InGaN波导层达到了抑制光子泄漏的目的。2018年，Liang等[57]在非对称有源区(靠近p侧的势垒比其他势垒厚)结构基础上提出一种新的InxGa1-xN下波导层GaN基蓝光LD结构，采用InxGa1-xN下波导层替代GaN下波导层，同时，通过优化InxGa1-xN下波导层In组分调节有源区的光场分布，使靠近p侧的光场向n侧移动，从而有效减小光子损耗，提高了LD斜率效率，如图4所示。限制层对抑制GaN基绿光LD的光子损耗有着重要作用，2016年，Wen等[46]提出了采用厚AlGaN限制层来抑制GaN基绿光LD光子泄漏。2019年，Liang等[60]设计了渐变组分的n-InGaN波导层，该结构有利于生长高质量外延材料和减少光子泄漏，从而减少了光子损耗。镁掺杂也是影响光子损耗的因素之一。镁掺杂层与有源区的距离太远影响空穴注入效率，太近使光子损耗增加。镁的电离能高，需要高浓度受体确保低电压下自由空穴的聚集，高浓度受体会导致内部光子损耗的增加[61]。

图4 GaN基蓝色激光二极管的结构示意图[57]

GaN衬底取向对GaN基绿光LD光子损耗有着重要影响。许多研究者提出在极性GaN衬底顶部生长由氢化物外延和高压溶液相结合的不同电子浓度的GaN层堆叠而成的外延材料，此基底在不产生残余应力的同时可以抑制向基底方向的光学模式泄漏，从而提高电光转换效率[62，63]。然而，GaN衬底取向不同，晶格错配度不同，产生的极化效应造成光子损耗，因此衬底取向影响GaN基绿光LD光子损耗，从而影响器件的光电性能。关于GaN基绿光LD的大多数研究都集中在极性结构c面GaN衬底上，然而，由于极性GaN衬底极化效应较强，许多研究者转向对半极性面和非极性面的研究。图5是纤锌矿GaN晶面取向示意图[64]。2008～2009年，Rohm公司制备了在m面衬底上生长的波长为481 nm的蓝绿LD，该LD输出功率为20 mW，阈值电流密度为6.1 kA/cm2[5，6]。2010年，Kyono等[65]采用金属有机化学气相外延法制备了新型半极性{2021}GaN基绿光LD。2010年，国内开始了c面GaN基绿光LD的研究，2014年，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所制备了国内第一台室温电注入脉冲发射GaN基绿光LD[66]。由于生长大块GaN衬底存在困难，半极性面和非极性面GaN基绿光LD目前仍很难实现大规模产业化生产。

图5 纤锌矿GaN晶面取向示意图[64]：(a)极性结构，(b)非极性结构，(c)半极性结构

2.2 提高GaN基绿光激光二极管光束质量的方法

发散角是影响LD光束质量的重要参数，减小发散角可以改善光束质量。针对GaN基绿光LD光束质量差的问题，研究者们讨论了GaN基绿光LD外延结构对光束质量的影响。目前，主要采用Al0.82In0.18N代替AlGaN限制层、低In组分InGaN波导层代替GaN波导层、GaN作为限制层3种方法来提高光束质量。结果表明，第一种方法波导层与限制层折射率差最小，光束质量最高[67]。同时，针对GaN基绿光LD发散角大的问题，采用宽波导结构是提高光束质量的有效方法之一。研究者们通过采用大光腔结构[68-70]和优化n型波导层厚度来调控远场发散角[71]，降低阈值电流，从而提高GaN基绿光LD性能。通过增加大光腔结构中波导层厚度和利用阶梯不对称结构达到降低高功率GaN基绿光LD垂直发散角的目的。丝状效应是降低GaN基绿光LD光束质量的重要原因，2019年，Malag等[72]提出宽波导结构可以改善高功率LD光束质量，使发散角减小12°，限制丝状效应，稳定光场分布。2019年，Abbasi等[73]采用高斯分布折射率的宽波导，使LD光束亮度和光输出功率分别提高56%和27%。此外，研究者们还通过改善腔面粗糙度来提高光束质量。2009年，张立群等[74]提出减小衬底厚度可以降低腔面粗糙度，增加脊高度，降低阈值电流，减小远场横比，从而达到提高光束质量的目的。2018年，Lan等[75]采用传统的两个温度沉积法生长的LD可以抑制外延片曲率变化，采用同温度沉积法可以缓和从量子阱到势垒的变形，使曲率波动变小，腔面粗糙度降低，发光均匀性提高，从而提高光束质量。2020年，田爱琴等[35]提出通过调控生长温度、生长速率和GaN衬底的斜切角获得的台阶流形貌绿光InGaN量子阱，从而抑制了多量子阱表面缺陷形成，提高了光束质量。

2.3 提高GaN基绿光激光二极管可靠性的方法

GaN基绿光LD的工作寿命是限制其广泛应用的关键性能指标之一。GaN基绿光LD应用的前提条件是可连续工作超过10 000 h。发热是器件性能退化和寿命减少的主要原因。如何提高GaN基绿光LD的工作寿命成为各个研究团队的研究焦点[76，77]。

针对器件温度影响GaN基绿光LD可靠性的问题，许多研究者采用不同方法分析激光器发热的原因及温度与可靠性的关系。GaN基绿光LD的工作温度决定了器件工作寿命长短和功率的衰减度。因此，研究工作温度与器件性能参数之间的关系至关重要。随着GaN基绿光LD工作温度的升高，阈值电流密度增加，工作寿命减少。2003年，曹玉莲[78]提出窄条宽LD相对光电性能较好，通过适当减少量子阱数，采用张应变垒层，减小驱动电压，可以达到降低器件温度和减缓器件性能退化的目的。对于高In组分GaN基绿光LD，量子阱有源区质量受温度恶化的影响更严重。例如，p型限制层生长温度较高，量子阱中由于高In组分产生大量缺陷，导致非辐射复合率增加，绿光LD性能衰减[79，80]。2017年，Tian等[15]提出采用热处理和H2处理的方法可以去除富In团簇，界面热处理后生长的GaN势垒可以消除量子阱中的缺陷，从而减少非辐射复合中心。脊形GaN基绿光LD快速退化的原因可能是由于脊上的局部缺陷产生的热分布不均匀，进而增加了有源区缺陷，加快了性能退化，使GaN基绿光LD可靠性变差[81]。GaN基绿光LD失效问题不仅来自于腔面和有源区，外部环境对其可靠性也有影响。2021年，孙天宇等[82]采用光致发光、电致发光和阴极发光等检测失效的技术并结合LD失效原理，从腔面、有源区内部、焊接和操作环境4个方面提出有效改善LD失效问题的建议。

3 结 语

提高GaN基绿光二极管的光电性能需要通过以下3个方面：首先，需要制备高质量的绿光InGaN/GaN多量子阱外延材料；其次，减少内部光学损耗和提高空穴注入效率；最后，减少量子阱中的极化效应，降低斯塔克效应对量子阱性能的影响。采用氧化铟锡限制层结构、调控量子阱和电子阻挡层结构以及采用外延生长技术等方式减少电子泄漏，从而提高量子阱晶体质量和空穴注入效率；通过优化波导层、限制层和调控衬底取向等方式，调节光场分布，减少光子损耗，从而提高发光效率。近年来，半极性面衬底和氧化铟锡的p型限制层的应用促进了绿光二极管的迅速发展。高功率脉冲光纤激光器和连续光纤激光器的光电性能有望得到突破，未来绿光二极管行业将向着应用于精细加工领域的高功率、超快二极管和智能化、模块化的高光束质量二极管的方向发展。