杜小娟，劉 晶，董海亮，賈志剛，張愛琴，梁 建，許并社，5

(1.太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024)

(2.航天科工防御技術(shù)研究試驗(yàn)中心，北京 100854)

(3.太原理工大學(xué) 新材料界面科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024)

(4.太原理工大學(xué)輕紡工程學(xué)院，山西 太原 030024)

(5.陜西科技大學(xué) 材料原子·分子科學(xué)研究所，陜西 西安 710021)

1 前 言

從1995年第一支半導(dǎo)體激光二極管(laser diode，LD)誕生至今，半導(dǎo)體LD在醫(yī)療、通訊、激光顯示等方面得到廣泛應(yīng)用，且逐漸向高功率、智能化和模塊化方向發(fā)展，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防安全和科研領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用[1，2]。其中GaN基綠光LD發(fā)展較晚，相對(duì)于GaN基藍(lán)光LD，技術(shù)發(fā)展仍不成熟，性能較低。1997年，日本Nichia公司制備出第一個(gè)連續(xù)激射的420 nm GaN基藍(lán)光LD，就此拉開了GaN基LD的序幕[3，4]；1996～2008年，GaN基綠光LD波長(zhǎng)低于500 nm；直到2009年，Nichia公司才制備出波長(zhǎng)為510 nm的LD，GaN基綠光LD的應(yīng)用也因此得到突破；2009～2010年間，Nichia、Osram、Sumitomo、Corning、Soraa、UM、Sinano、SS、Rohm和UCSB幾個(gè)研究團(tuán)隊(duì)突破了波長(zhǎng)500 nm的限制，使GaN基綠光LD波長(zhǎng)最高可達(dá)到523 nm。表1是2009～2016年間國(guó)外科研團(tuán)隊(duì)報(bào)道的綠光LD研究進(jìn)展[5-25]。國(guó)內(nèi)科研團(tuán)隊(duì)對(duì)綠光LD的研究也趨于成熟，2017年，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所Tang等[15]通過(guò)優(yōu)化綠光量子阱界面消除界面缺陷，制備出了閾值電流為1.85 kA/cm2、輸出功率58 mW的綠光LD；2017年，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究Liu等[15，26，27]在提高綠光LD有源區(qū)發(fā)光均勻性和發(fā)光效率方面取得了較多成果，在InGaN/GaN量子阱中生長(zhǎng)1.8 nm的蓋層，然后對(duì)其界面進(jìn)行熱退火處理，抑制了界面缺陷，減少了非輻射復(fù)合中心，提高了發(fā)光均勻性，提高了量子阱的內(nèi)量子效率；通過(guò)增加襯底切割角，使綠光LD量子阱進(jìn)行階梯生長(zhǎng)，增加了原子擴(kuò)散距離，從而提高了量子阱的內(nèi)量子效率。針對(duì)p-AlGaN限制層生長(zhǎng)溫度高導(dǎo)致的量子阱晶體質(zhì)量差的問題，Liu等[28，29]提出通過(guò)調(diào)控p-AlGaN限制層摻雜和生長(zhǎng)溫度可降低熱效應(yīng)對(duì)量子阱晶體質(zhì)量的影響，除此之外，還指出制備氧化銦錫(indium tin oxide，ITO)限制層可以抑制綠光LD InGaN有源區(qū)的惡化[30]。

表1 2009～2016年國(guó)外科研團(tuán)隊(duì)報(bào)道的綠光激光二極管發(fā)展歷程

波長(zhǎng)接近綠光波長(zhǎng)區(qū)域時(shí)，GaN基綠光LD比藍(lán)光LD的實(shí)現(xiàn)更具挑戰(zhàn)性，內(nèi)量子效率也明顯降低[31，32]。目前，520～530 nm被認(rèn)為是GaN基綠光LD的最佳波段。隨著GaN基綠光LD在各個(gè)方面的廣泛應(yīng)用，對(duì)GaN基綠光LD的性能提出了更高的要求[33]，如何獲得高功率、高可靠性和高光束質(zhì)量的GaN基綠光LD成為研究重點(diǎn)[34]。2020年，李方直等[35]指出GaN基藍(lán)綠LD面臨高質(zhì)量InGaN/GaN多量子阱制備難、內(nèi)部光學(xué)損耗嚴(yán)重、空穴注入效率低和量子限制斯塔克效應(yīng)4個(gè)方面的問題及解決方法。本文主要綜述導(dǎo)致GaN基綠光LD功率低、光束質(zhì)量差、可靠性差的關(guān)鍵問題以及對(duì)應(yīng)的研究進(jìn)展。首先，闡述通過(guò)降低閾值電流、減少電子泄漏和光子損耗的方式提高GaN基綠光LD的功率的研究；其次，總結(jié)通過(guò)優(yōu)化LD外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、芯片類型等方法提高光束質(zhì)量方面的進(jìn)展；最后，針對(duì)GaN基綠光LD可靠性差的問題，總結(jié)器件性能退化的主要原因及解決方法。

2 實(shí)現(xiàn)高性GaN基綠光激光二極管的途徑

2.1 提高GaN基綠光激光二極管功率的方法

功率是衡量GaN基綠光LD性能的關(guān)鍵性能參數(shù)之一。閾值電流、光子損耗和電子泄漏是影響輸出功率的重要參數(shù)，因此，從閾值電流、電子泄漏以及光子損耗3個(gè)方面總結(jié)了GaN基綠光LD性能提升的主要方法。

2.1.1 閾值電流

閾值電流是影響GaN基綠光LD性能的重要技術(shù)參數(shù)之一。高內(nèi)損耗和非輻射復(fù)合效率，易導(dǎo)致閾值電流增加，從而降低LD輸出功率和轉(zhuǎn)換效率。因此，通過(guò)分析導(dǎo)致高閾值電流的關(guān)鍵原因，可知優(yōu)化設(shè)計(jì)外延結(jié)構(gòu)是解決高閾值電流的主要方法。1962年，美國(guó)科學(xué)家Hall等[36]研制出第一代閾值電流密度為5×104～1×105A/cm2的LD；1968～1970年期間，單異質(zhì)結(jié)和雙異質(zhì)結(jié)的LD問世，相比于同質(zhì)結(jié)的LD，其閾值電流降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)[33]；20世紀(jì)80年代，量子阱結(jié)構(gòu)成功應(yīng)用在GaAs基LD中，該LD閾值電流明顯降低[37]；2013年，Banerjee等[38]在綠光量子點(diǎn)LD中借助聲子輔助隧道使冷凍空穴從激發(fā)態(tài)直接變成基態(tài)進(jìn)入量子點(diǎn)中，使空穴均勻地進(jìn)入每一個(gè)量子點(diǎn)，在量子點(diǎn)中發(fā)生輻射復(fù)合，從而提高了內(nèi)量子效率，降低了損耗，最終使LD閾值電流密度下降至945 A/cm2，圖1是In0.32Ga0.68N/GaN量子點(diǎn)LD異質(zhì)結(jié)構(gòu)隧道注入示意圖，隧道注入方案包括InGaN量子點(diǎn)層、InAlN隧道勢(shì)壘和InGaN/GaN量子阱。因此，隨著外延結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，LD閾值電流隨之降低，性能得到不斷提高。

圖1 In0.32Ga0.68N/GaN量子點(diǎn)激光異質(zhì)結(jié)構(gòu)隧道注入方案示意圖，包括InGaN量子點(diǎn)層、InAlN隧道勢(shì)壘和InGaN/GaN量子阱[38]

此外，針對(duì)GaN基綠光LD閾值電流高的問題，有研究人員通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)量子阱結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到降低閾值電流的目的。2017年，Liang等[39]提出在電子阻擋層和最靠近p側(cè)勢(shì)壘之間插入摻雜的InGaN層，可減少電子泄漏，從而降低閾值電流。同時(shí)，Liang等[40]還提出將n-In0.08Ga0.92N和未摻雜In0.02Ga0.98N分別作為GaN基綠光LD的下波導(dǎo)層和勢(shì)壘層，增強(qiáng)了光場(chǎng)限制，減少了GaN綠光LD光場(chǎng)向襯底泄漏；此外，進(jìn)一步將較淺量子阱夾層引入InGaN/GaN綠光多量子阱中，提高了光限制能力，降低了閾值電流，從而提高了LD輸出功率，圖2是用于模擬計(jì)算的較淺量子阱LD的結(jié)構(gòu)示意圖[41]。諸多研究人員將四元化合物AlInGaN應(yīng)用于GaN基綠光LD中，以減少外延材料極化效應(yīng)，達(dá)到降低LD閾值電流的目的。早在2009年，陳偉華等[42]在(0001)藍(lán)寶石襯底上外延生長(zhǎng)了晶體質(zhì)量較高的InGaN/AlInGaN多量子阱材料。然而，由于AlN、GaN和InN之間互溶性差，導(dǎo)致高質(zhì)量四元AlInGaN外延材料難以生長(zhǎng)。2018年，Cheng等[43]提出采用GaN/InGaN/GaN三角形量子勢(shì)壘代替GaN或InGaN勢(shì)壘能夠明顯降低LD閾值電流，這是由于此結(jié)構(gòu)能降低極化效應(yīng)，增加載流子限制，減少損耗，從而降低了LD閾值電流；Hu等[30]提出通過(guò)增加ITO限制層的方法解決p限制層生長(zhǎng)溫度高導(dǎo)致晶體質(zhì)量差的問題，從而降低了光學(xué)損耗，提高了輸出功率，該方法制備的GaN基綠光LD的閾值電流密度是普通綠光LD的1/3。首先，這主要是由于ITO在可見光譜內(nèi)具有導(dǎo)電性和透明性，其吸收系數(shù)比其他金屬低2個(gè)數(shù)量級(jí)，折射率比傳統(tǒng)p-AlGaN限制層低，因此ITO能夠?yàn)榧す馇惶峁┳銐虻墓鈱W(xué)限制；其次，ITO生長(zhǎng)溫度在300 ℃以下，能夠減少p-AlGaN限制層的高溫生長(zhǎng)時(shí)間，從而有效緩解限制層生長(zhǎng)溫度高導(dǎo)致的量子阱晶體質(zhì)量差的問題[35]。基于以上ITO相對(duì)于傳統(tǒng)限制層的優(yōu)點(diǎn)，2020年，Liu等[30]將ITO取代Pd/Pt/Au作為電極材料，結(jié)果表明，將ITO作為電極材料的LD的閾值電流和內(nèi)損耗降低，斜率效率和輸出功率提高，這是由于ITO LD量子阱受高溫生長(zhǎng)溫度的影響減少，減少了晶體缺陷，從而減少了非輻射復(fù)合中心，同時(shí)還提高了空穴注入效率，增加了量子阱中的空穴濃度。2020年，Telegin等[44]還設(shè)計(jì)了摻雜寬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的GaN基綠光LD，該方法減少了LD電子泄漏，從而降低了閾值電流。2020年，Zhou等[45]通過(guò)調(diào)控量子阱厚度實(shí)現(xiàn)了降低LD電流閾值的目的。

圖2 用于模擬計(jì)算的較淺量子阱激光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖[41]

為了將InGaN綠光LD的波長(zhǎng)提高至綠光波段，量子阱中In組分含量高達(dá)30%，諸多研究者針對(duì)In含量增加對(duì)GaN基綠光LD性能的影響進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，In含量增加導(dǎo)致量子阱中易產(chǎn)生In偏析現(xiàn)象，量子阱有源區(qū)中增加了大量缺陷，并形成了非輻射復(fù)合中心，從而導(dǎo)致LD閾值電流升高，降低了斜率效率和功率。通過(guò)分別調(diào)控In組分和上波導(dǎo)層本底濃度及厚度可以有效解決量子阱中缺陷密度高和波導(dǎo)層光吸收嚴(yán)重導(dǎo)致的光子損耗問題，從而降低LD閾值電流[46]；Tian等[15]通過(guò)退火處理有效解決了在量子阱中In偏析的問題，提高了輻射復(fù)合效率，降低了閾值電流。

2.1.2 電子泄漏

電子泄漏是影響GaN基綠光LD性能的關(guān)鍵因素之一。外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)電子泄漏起著至關(guān)重要的作用。目前普遍采用調(diào)控電子阻擋層、勢(shì)壘層和量子阱的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)抑制電子泄漏的目的。

設(shè)計(jì)阻擋層是抑制電子泄漏的重要方法之一。諸多研究者對(duì)阻擋層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，以抑制GaN基綠光LD的電子泄漏。GaN基藍(lán)光與綠光LD外延結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵區(qū)別是In組分的量子阱材料的不同，InGaN材料具有極強(qiáng)的極化效應(yīng)，能帶傾斜嚴(yán)重，降低了束縛電子的能力。電子阻擋層能有效抑制GaN基綠光LD的電子泄漏，1996年，Nakamura等[47]提出在量子勢(shì)壘與p波導(dǎo)之間加入p型AlGaN電子阻擋層能有效抑制電子泄漏。設(shè)計(jì)外延結(jié)構(gòu)時(shí)不僅要考慮抑制電子泄漏，還要考慮空穴的注入，通過(guò)提高有源區(qū)輻射復(fù)合效率，從而提高LD的輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率。通過(guò)優(yōu)化電子阻擋層不僅可以抑制電子從有源區(qū)泄漏進(jìn)入p側(cè)，而且還能促進(jìn)p側(cè)空穴進(jìn)入有源區(qū)，這主要是由于調(diào)控電子阻擋層能夠減少能帶彎曲，提高電子進(jìn)入p側(cè)勢(shì)壘，降低空穴進(jìn)入有源區(qū)勢(shì)壘，從而提高有源區(qū)的載流子濃度。采用Al組分漸變AlGaN電子阻擋層可使帶隙變寬，增加電子泄露勢(shì)壘高度，降低空穴注入勢(shì)壘高度，從而有效提高空穴注入效率并降低電子泄露[48-50]。然而，相比于優(yōu)化AlGaN電子阻擋層，通過(guò)調(diào)控四元AlInGaN的Al/In的比率，不僅可使帶隙寬度在很大的范圍內(nèi)變化，而且可使四元AlInGaN晶格常數(shù)與p側(cè)第一個(gè)量子阱很好地匹配，從而內(nèi)建電場(chǎng)減小，極化效應(yīng)降低，空穴注入效率提高[51-53]。

優(yōu)化勢(shì)壘層也是減少電子泄漏的重要方法之一。2006～2013年，多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)都提出采用AlGaN/GaN多量子勢(shì)壘代替AlGaN阻擋層，從而達(dá)到減少電子泄漏的目的[54-56]，通常采用的方法是調(diào)控勢(shì)壘厚度和勢(shì)壘高度。2018年，Liang等[57]提出非對(duì)稱多量子阱中最后添加一個(gè)薄勢(shì)壘的結(jié)構(gòu)可以降低壓電極化效應(yīng)，從而減小電子泄漏。多個(gè)課題組[48-50]采用漸變鋁成分的AlGaN阻擋層減小了電子泄漏，提高了空穴向有源區(qū)的注入。Kuo等[51]采用極性匹配四元AlInGaN電子阻擋層，降低了極化效應(yīng)，達(dá)到了抑制電子泄漏和提高空穴注入的目的。單一電子阻擋層抑制電子泄漏的效果不理想，可采用復(fù)合結(jié)構(gòu)的電子阻擋層有效降低電子泄漏，2014年，Le等[58]在電子阻擋層前加入未摻雜InGaN薄層，有效抑制了電子泄漏，降低了閾值電流，圖3是傳統(tǒng)和插入未摻雜InGaN/GaN的新結(jié)構(gòu)LD示意圖，新結(jié)構(gòu)LD將5 nm In0.05Ga0.95N和5 nm GaN作為靠近p側(cè)的量子壘，代替了傳統(tǒng)的10 nm GaN勢(shì)壘。

圖3 傳統(tǒng)和新激光半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖[58]

優(yōu)化量子阱也是有效抑制電子泄漏的方法之一。2020年，Usman等[50]提出一種In組分漸變InxGa1-xN單量子阱結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)有效抑制了電子泄漏，提高了輻射復(fù)合效率，提高了LD輸出功率。2020年，Zhou等[45]采用優(yōu)化量子阱厚度的方法解決了量子阱太薄導(dǎo)致電子產(chǎn)生泄漏的問題，提高了LD內(nèi)量子效率。

2.1.3 光子損耗

光子損耗是導(dǎo)致綠光LD輸出功率降低的關(guān)鍵因素之一。目前主要通過(guò)調(diào)控波導(dǎo)層、限制層、p型摻雜層以及GaN襯底取向的途徑來(lái)降低光子損耗。波導(dǎo)層對(duì)GaN基綠光LD光場(chǎng)分布有著重要影響。眾多研究人員研究了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對(duì)GaN基綠光LD光學(xué)性能的影響。2010年，Huang等[59]通過(guò)調(diào)控波導(dǎo)層組分和厚度，提高了波導(dǎo)層的光限制能力，從而降低了LD光學(xué)損耗。2017年，Liang等[39，40]采用厚的InGaN波導(dǎo)層達(dá)到了抑制光子泄漏的目的。2018年，Liang等[57]在非對(duì)稱有源區(qū)(靠近p側(cè)的勢(shì)壘比其他勢(shì)壘厚)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上提出一種新的InxGa1-xN下波導(dǎo)層GaN基藍(lán)光LD結(jié)構(gòu)，采用InxGa1-xN下波導(dǎo)層替代GaN下波導(dǎo)層，同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化InxGa1-xN下波導(dǎo)層In組分調(diào)節(jié)有源區(qū)的光場(chǎng)分布，使靠近p側(cè)的光場(chǎng)向n側(cè)移動(dòng)，從而有效減小光子損耗，提高了LD斜率效率，如圖4所示。限制層對(duì)抑制GaN基綠光LD的光子損耗有著重要作用，2016年，Wen等[46]提出了采用厚AlGaN限制層來(lái)抑制GaN基綠光LD光子泄漏。2019年，Liang等[60]設(shè)計(jì)了漸變組分的n-InGaN波導(dǎo)層，該結(jié)構(gòu)有利于生長(zhǎng)高質(zhì)量外延材料和減少光子泄漏，從而減少了光子損耗。鎂摻雜也是影響光子損耗的因素之一。鎂摻雜層與有源區(qū)的距離太遠(yuǎn)影響空穴注入效率，太近使光子損耗增加。鎂的電離能高，需要高濃度受體確保低電壓下自由空穴的聚集，高濃度受體會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部光子損耗的增加[61]。

圖4 GaN基藍(lán)色激光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖[57]

GaN襯底取向?qū)aN基綠光LD光子損耗有著重要影響。許多研究者提出在極性GaN襯底頂部生長(zhǎng)由氫化物外延和高壓溶液相結(jié)合的不同電子濃度的GaN層堆疊而成的外延材料，此基底在不產(chǎn)生殘余應(yīng)力的同時(shí)可以抑制向基底方向的光學(xué)模式泄漏，從而提高電光轉(zhuǎn)換效率[62，63]。然而，GaN襯底取向不同，晶格錯(cuò)配度不同，產(chǎn)生的極化效應(yīng)造成光子損耗，因此襯底取向影響GaN基綠光LD光子損耗，從而影響器件的光電性能。關(guān)于GaN基綠光LD的大多數(shù)研究都集中在極性結(jié)構(gòu)c面GaN襯底上，然而，由于極性GaN襯底極化效應(yīng)較強(qiáng)，許多研究者轉(zhuǎn)向?qū)Π霕O性面和非極性面的研究。圖5是纖鋅礦GaN晶面取向示意圖[64]。2008～2009年，Rohm公司制備了在m面襯底上生長(zhǎng)的波長(zhǎng)為481 nm的藍(lán)綠LD，該LD輸出功率為20 mW，閾值電流密度為6.1 kA/cm2[5，6]。2010年，Kyono等[65]采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相外延法制備了新型半極性{2021}GaN基綠光LD。2010年，國(guó)內(nèi)開始了c面GaN基綠光LD的研究，2014年，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所制備了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)室溫電注入脈沖發(fā)射GaN基綠光LD[66]。由于生長(zhǎng)大塊GaN襯底存在困難，半極性面和非極性面GaN基綠光LD目前仍很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

圖5 纖鋅礦GaN晶面取向示意圖[64]：(a)極性結(jié)構(gòu)，(b)非極性結(jié)構(gòu)，(c)半極性結(jié)構(gòu)

2.2 提高GaN基綠光激光二極管光束質(zhì)量的方法

發(fā)散角是影響LD光束質(zhì)量的重要參數(shù)，減小發(fā)散角可以改善光束質(zhì)量。針對(duì)GaN基綠光LD光束質(zhì)量差的問題，研究者們討論了GaN基綠光LD外延結(jié)構(gòu)對(duì)光束質(zhì)量的影響。目前，主要采用Al0.82In0.18N代替AlGaN限制層、低In組分InGaN波導(dǎo)層代替GaN波導(dǎo)層、GaN作為限制層3種方法來(lái)提高光束質(zhì)量。結(jié)果表明，第一種方法波導(dǎo)層與限制層折射率差最小，光束質(zhì)量最高[67]。同時(shí)，針對(duì)GaN基綠光LD發(fā)散角大的問題，采用寬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是提高光束質(zhì)量的有效方法之一。研究者們通過(guò)采用大光腔結(jié)構(gòu)[68-70]和優(yōu)化n型波導(dǎo)層厚度來(lái)調(diào)控遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角[71]，降低閾值電流，從而提高GaN基綠光LD性能。通過(guò)增加大光腔結(jié)構(gòu)中波導(dǎo)層厚度和利用階梯不對(duì)稱結(jié)構(gòu)達(dá)到降低高功率GaN基綠光LD垂直發(fā)散角的目的。絲狀效應(yīng)是降低GaN基綠光LD光束質(zhì)量的重要原因，2019年，Malag等[72]提出寬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以改善高功率LD光束質(zhì)量，使發(fā)散角減小12°，限制絲狀效應(yīng)，穩(wěn)定光場(chǎng)分布。2019年，Abbasi等[73]采用高斯分布折射率的寬波導(dǎo)，使LD光束亮度和光輸出功率分別提高56%和27%。此外，研究者們還通過(guò)改善腔面粗糙度來(lái)提高光束質(zhì)量。2009年，張立群等[74]提出減小襯底厚度可以降低腔面粗糙度，增加脊高度，降低閾值電流，減小遠(yuǎn)場(chǎng)橫比，從而達(dá)到提高光束質(zhì)量的目的。2018年，Lan等[75]采用傳統(tǒng)的兩個(gè)溫度沉積法生長(zhǎng)的LD可以抑制外延片曲率變化，采用同溫度沉積法可以緩和從量子阱到勢(shì)壘的變形，使曲率波動(dòng)變小，腔面粗糙度降低，發(fā)光均勻性提高，從而提高光束質(zhì)量。2020年，田愛琴等[35]提出通過(guò)調(diào)控生長(zhǎng)溫度、生長(zhǎng)速率和GaN襯底的斜切角獲得的臺(tái)階流形貌綠光InGaN量子阱，從而抑制了多量子阱表面缺陷形成，提高了光束質(zhì)量。

2.3 提高GaN基綠光激光二極管可靠性的方法

GaN基綠光LD的工作壽命是限制其廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵性能指標(biāo)之一。GaN基綠光LD應(yīng)用的前提條件是可連續(xù)工作超過(guò)10 000 h。發(fā)熱是器件性能退化和壽命減少的主要原因。如何提高GaN基綠光LD的工作壽命成為各個(gè)研究團(tuán)隊(duì)的研究焦點(diǎn)[76，77]。

針對(duì)器件溫度影響GaN基綠光LD可靠性的問題，許多研究者采用不同方法分析激光器發(fā)熱的原因及溫度與可靠性的關(guān)系。GaN基綠光LD的工作溫度決定了器件工作壽命長(zhǎng)短和功率的衰減度。因此，研究工作溫度與器件性能參數(shù)之間的關(guān)系至關(guān)重要。隨著GaN基綠光LD工作溫度的升高，閾值電流密度增加，工作壽命減少。2003年，曹玉蓮[78]提出窄條寬LD相對(duì)光電性能較好，通過(guò)適當(dāng)減少量子阱數(shù)，采用張應(yīng)變壘層，減小驅(qū)動(dòng)電壓，可以達(dá)到降低器件溫度和減緩器件性能退化的目的。對(duì)于高In組分GaN基綠光LD，量子阱有源區(qū)質(zhì)量受溫度惡化的影響更嚴(yán)重。例如，p型限制層生長(zhǎng)溫度較高，量子阱中由于高In組分產(chǎn)生大量缺陷，導(dǎo)致非輻射復(fù)合率增加，綠光LD性能衰減[79，80]。2017年，Tian等[15]提出采用熱處理和H2處理的方法可以去除富In團(tuán)簇，界面熱處理后生長(zhǎng)的GaN勢(shì)壘可以消除量子阱中的缺陷，從而減少非輻射復(fù)合中心。脊形GaN基綠光LD快速退化的原因可能是由于脊上的局部缺陷產(chǎn)生的熱分布不均勻，進(jìn)而增加了有源區(qū)缺陷，加快了性能退化，使GaN基綠光LD可靠性變差[81]。GaN基綠光LD失效問題不僅來(lái)自于腔面和有源區(qū)，外部環(huán)境對(duì)其可靠性也有影響。2021年，孫天宇等[82]采用光致發(fā)光、電致發(fā)光和陰極發(fā)光等檢測(cè)失效的技術(shù)并結(jié)合LD失效原理，從腔面、有源區(qū)內(nèi)部、焊接和操作環(huán)境4個(gè)方面提出有效改善LD失效問題的建議。

3 結(jié) 語(yǔ)

提高GaN基綠光二極管的光電性能需要通過(guò)以下3個(gè)方面：首先，需要制備高質(zhì)量的綠光InGaN/GaN多量子阱外延材料；其次，減少內(nèi)部光學(xué)損耗和提高空穴注入效率；最后，減少量子阱中的極化效應(yīng)，降低斯塔克效應(yīng)對(duì)量子阱性能的影響。采用氧化銦錫限制層結(jié)構(gòu)、調(diào)控量子阱和電子阻擋層結(jié)構(gòu)以及采用外延生長(zhǎng)技術(shù)等方式減少電子泄漏，從而提高量子阱晶體質(zhì)量和空穴注入效率；通過(guò)優(yōu)化波導(dǎo)層、限制層和調(diào)控襯底取向等方式，調(diào)節(jié)光場(chǎng)分布，減少光子損耗，從而提高發(fā)光效率。近年來(lái)，半極性面襯底和氧化銦錫的p型限制層的應(yīng)用促進(jìn)了綠光二極管的迅速發(fā)展。高功率脈沖光纖激光器和連續(xù)光纖激光器的光電性能有望得到突破，未來(lái)綠光二極管行業(yè)將向著應(yīng)用于精細(xì)加工領(lǐng)域的高功率、超快二極管和智能化、模塊化的高光束質(zhì)量二極管的方向發(fā)展。