2021-11-30

GaN的蓝海——激光器

第三代半导体材料GaN（氮化镓，英文为Gallium nitride，氮和镓的化合物，是一种III族和V族的直接能隙半导体）在这些年获得了广泛的关注。在业内的几个媒体上，几乎天天都能看到GaN的新闻：有获得融资的、有落地投资数十亿建厂的、有新产品发布的、如此等等不一而足。

GaN的应用范围比同为第三代半导体的SiC材料更广，器件门类也更多。相较于SiC主要用作电力电子器件中的大功率器件，GaN则可广泛应用在微波射频、电力电子、光电子等领域。

GaN自1990年起常用于LED（发光二极管）中。它在中国首次出名，还是在2016年，当时韩国接受美国的协助，在国内部署萨德反导弹（末段高空区域防御，英语为Terminal High Altitude Area Defense，简称萨德反导弹系统即THAAD）。而这套系统的核心雷达即应用了GaN器件。

GaN在通信网络中有的普遍应用。在运营商网络“管道”侧，它是5G基站核心组件功率放大器（PA）的基础材料；在消费领域应用“端”侧，氮化镓功率半导体渐被广泛用于消费电子产品的高功率充电器。与传统SiC材料器件相比，GaN转换效率更高、耗能较小，在体积更小的同时支持快速充电。

但是烈火烹油之下，其有隐忧。我国的GaN项目，无论是Fabless，还是IDM，几乎都集中在功率和射频两个领域。如果仅看我国媒体报道，仿佛GaN产业只有功率和射频这两个应用。

其实GaN在激光器方面的发展更加成熟，一直在高速稳健增长。只是因为技术壁垒极高，市场长期受到国外公司的垄断。下面我们对GaN激光器展开论述，以飨读者，以正视听。

一、 GaN光电应用概览

自日本Nichia公司的中村修二教授（2014年诺贝尔物理学奖得主）突破性地将GaN基LED实现了商业化后，GaN基LED的背光显示技术发展迅猛。如今已统治了平板电脑、大屏幕手机、LED电视和全彩色大屏幕室外显示屏等市场。

Nichia公司在将LED商业化后不久，即宣布GaN基激光器完成商业化。GaN激光器广泛应用在显示、照明、加工、打印、光刻、指示等领域，市场空间大，毛利率超过60%。由于GaN激光器制作难度较高，技术壁垒较大，此产品长期把控在国际几家大企业的手中，被誉为皇冠上的明珠。

光伏也是GaN的另一大应用领域。InGaN合金是直接带隙半导体，它的光吸收系数比Si、GaAs材料明显高出一至两个数量级。而且，InGaN的带宽与太阳光谱能够完美匹配，可以通过调节In的组分，得到特定带宽超高效率的多结太阳能电池。

Hamzaoui计算出多结InGaN太阳能电池的能量转换效率超过50%。而A. Marti等则指出ln1-xGaxN: Mn在In组分为0.66< 1-x<0.79时，中间带InGaN太阳能电池的光电转换效率可达54%以上。

此外，在紫外探测领域，GaN也是极具吸引力的材料。合金化合物AlGaN的带隙能够在紫外波段，探测器的探测波长可以从365nm变到200nm，达到了日盲紫外波段，探测范围广的同时还避开了可见光的干扰，适合做火箭的尾焰探测。而且GaN材料抗辐照能力强，可以在太空中工作。

目前GaN基探测器有光电导、p型-本征-n型(PIN)、肖特基(semi-transparent Schottky junction)、金属-半导体-金属(MSM)、雪崩(PAD)等结构

二、 GaN激光器市场

1.GaN激光器主要有以下应用场景：

（1）激光显示：

GaN基激光器的一个重要应用是激光显示，包括激光电视和激光投影，与Microled显示共同被誉为第四代显示技术。与Microled适合于小屏、超高分辨率、透明显示不同，激光显示技术能够轻松实现100寸以上的大屏显示，可投影到任意曲面，具有超高分辨率（8K）、亮度（10000流明）与色域范围。进入人眼的光为屏幕散射光，因此可以缩短观看距离而且长时间内观看不疲劳。另外值得一提的是微型投影技术，众多手机厂商包括苹果在内，都将微型投影技术融入到手机当中，概念机已经研发完成。2015年-2020年激光电视的复合增长率达到了213.8%，增长较快。用于商教的激光投影仪每年有1000万台需要用激光光源替代传统LED光源，市场存量与增量巨大。激光显示的主要问题是价格较高，因为其主要的三大部件无法实现国产化，即激光光源、DMD显示芯片和短焦镜头。

目前激光显示主要厂商为：三星、LG、索尼、爱普生、海信、长虹、光峰、极米等。

（2）激光照明与指示

激光照明主要原理为蓝光激光器激发荧光粉实现白光照明，激光照明的发光面积更小，发光效率更高，感官上更容易聚焦且照射距离更远，可以广泛应用于汽车大灯、舞台灯光、体育场馆、景观照明等众多领域。GaN诺奖得主中村修二曾大胆预测，未来十年，激光照明将会代替LED照明，并称激光照明技术是世界级、颠覆性的新一代照明技术，影响和带动的产业预计将达万亿级规模。目前宝马、奥迪等都推出了搭载激光大灯的汽车。相比于大功率的激光照明市场，小功率的激光指示市场规模也不容小觑，激光指示主要是指水平仪、测距仪、激光笔、仪器仪表中的应用。该领域主要是替代传统倍频方式的绿光以及红光市场，原因是人眼对蓝光，尤其是绿光更加敏感。

（3）激光加工

激光器的激光光源种类不同，他们的应用范围就不同，加工对象和所达目的也不同。大量实践数据表明，红外激光器在许多工业运用领域表现出色，但在众多有色金属加工方面并不理想，而大多数有色金属在蓝色波段下却有更高的激光吸收率，且吸收率是红外光的10-20倍。铜材作为有色金属中最重要的一员，也是工业领域最常见的金属材料之一，因其极好的导电、导热、耐腐蚀性及韧性等特点，被广泛应用于各行各业。为打破铜材对红外光吸收率极差、极易形成焊接飞溅和气孔等加工难题，高功率千瓦级蓝光切割机应运而生。高功率蓝光切割机正在迅速替代传统的红外光纤激光器。新能源电池的焊接也为高功率蓝光焊接机提供了较大的市场空间。单台高功率千瓦级蓝光激光器需要集成数百个蓝光激光器单管，并合束使用。

目前激光加工的主要厂商有：Laserline、NURUBU、联赢激光、凯普林等。

（4）激光打印与生物检测

由于GaN基激光器具备较短的波长，所以可以获得更小的衍射限制光斑，从而提高激光打印的分辨率，获得更高的印刷品质。另外GaN基蓝绿光激光器在生物检测、DNA测序等领域也有着广泛的应用。之前该领域的激光器均通过长波倍频的方式实现，这些应用会逐渐转向直接发射蓝绿光的GaN基激光器。

（5）激光直写光刻机

高分辨率激光直写光刻机通过固定连续的405nm紫光GaN激光器光源在光刻胶或紫外敏感胶中直接刻划获得微纳结构，最小特征尺寸（宽度）可达1微米，适合掩膜，半导体，玻璃，晶体，薄膜等诸多衬底。高分辨率激光直写光刻机提供竖直和扫描直写模式，确保直接轨迹偏离小于100nm。激光直写光刻机具有电动光学聚焦系统，提供快速精准的聚焦功能，从而适合各种厚度衬底的要求。

（6）军事用途

GaN基激光器除了在民用领域应用外，在军事领域也有广泛的应用前景。波长在470nm到540nm之间的蓝绿光在海水中具有较低的吸收系数，因此具有较大的穿透能力，其传播距离可达600米以上，主要用于深海探测与潜艇通信与侦测。人眼对绿光非常敏感，GaN绿光激光器被广泛的应用在激光瞄准镜上。GaN绿光激光手电可以快速短期致盲，目前已经作为单兵武器批量列装使用。

2. GaN激光器市场规模

根据Laser Focus World数据显示，全球激光器市场的总量约为150亿美金，其中材料加工与光刻，以及通信与存储占比最大。

图一、全球激光器市场规模与市场分类（来自laserfocusworld)

表一、全球激光器市场估测与预测（来自laserfocusworld)

GaN半导体激光器在光刻、存储、军事、医疗、仪器仪表、娱乐、显示以及打印均有应用，目前年出货量在3亿支左右，并且近期以20%的年增长率进行增长，预计在2026年达到15亿美金（约100亿人民币）的市场总量。现阶段大功率GaN激光器的主要厂商为日本Nichia，中小功率GaN激光器的主要厂商为日本Sharp 和德国Osram，国内尚无厂商可批量生产。

三、GaN激光器的技术难点

GaN半导体激光器制备过程中有诸多的难点，需要长期的摸索和积累，投入巨大的资金，经过大量高端人才持续花费精力，才能逐步攻克。

从产业链角度看，GaN也没有GaAs和InP产业链那么完善，企业之间可以进行衬底、外延、器件、封装的业务分工。GaN激光器的产业链目前以IDM为主，因此对企业的技术研发实力的要求极高。GaN的技术难点包括：

1.低缺陷密度材料

GaN半导体激光器相对于其他GaN器件而言是对晶体质量要求最为严苛的。因为GaN激光器工作的电流密度是普通器件的10-100倍，因此如果在材料中有位错类的高密度缺陷，将会形成漏电通道，导致器件迅速失效。目前常规方法是在GaN单晶衬底上外延激光器结构，进而制备半导体激光器。目前世界顶级的GaN单晶衬底供应商Sumitomo Electric，也是Nichia的重要合作伙伴，其产品的位错密度可以达到104/cm2量级，受限于其重要的军事用途而被严格禁运。国内GaN单晶衬底的位错密度可以达到106/cm2量级，而且价格昂贵，2寸衬底单价在2万/片，这也是GaN半导体激光器单价居高不下的原因。

目前国内还是以2寸晶圆为主，4寸晶圆还不成熟。国内主要的GaN衬底厂商为苏州纳维、上海镓特、东莞中镓等。可以说，GaN衬底材料的晶体质量直接限制了我国GaN半导体激光器的发展。

2. 器件外延

GaN激光器结构，包括限制层、波导层、量子阱层、电子阻挡层等数百层结构，每一层在外延的过程中都会引入应力和位错，因此给外延带来了极大的难点。尤其以高质量的P型GaN最为难以获得。P型GaN需要向GaN中故意掺杂Mg原子，从而形成Mg受主。但是由于Mg受主的激活能特别高，而且极易被杂质补偿，因此产生的空穴浓度约为掺杂浓度的1%；极大增加掺杂的Mg原子量又会引入较大的吸收损耗，因此这是行业面临的一个重要难点。

3. 欧姆接触

GaN器件的镓面P型欧姆接触和氮面N型欧姆接触均有较大的制备难度。

以镓面P型欧姆接触为例，由于GaN的功函数比较高，导致电子需要跨过很高的势垒才能注入到器件中去，导致大电流下接触电阻较高，降低器件的寿命。需要通过复杂的电极制备手段才能够使得电子量子遂穿到器件当中去，从而降低接触电阻。

4. 晶体解理

GaN边发射激光器（EEL）属于FP腔激光器，因此需要使得光子在两个镜面之间谐振放大。因此两个镜面必须原子级光滑，否则光场无法反馈放大。

GaN形成高质量镜面的关键方法：找到晶体的易解理方向，通过精细的手段促使GaN晶体刚好从晶体的某个晶向裂开，从而形成原子级光滑的表面。而这一难点在GaAs和InP材料中并没有遇到，因为GaN晶体更加坚硬易碎。

四、GaN激光器的研究现状

1971年，Dingle等人就研究了GaN针状晶体的受激辐射。之后，研究者又先后报道了多种结构的受激辐射，包括GaN薄膜、InGaN薄膜、InGaN/AlGaN双异质结和GaN/AlGaN分别限制异质结。这些研究都是通过大功率光激发的方法得到的。目前国内外从事GaN从事激光器研究的，主要有：

1. Nichia公司

1995年底，Nichia的中村修二等人首次研制成功了电注入脉冲激射的InGaN/GaN多量子阱蓝紫光激光器。1996年，他们研制出脊形激光器，并且通过调制InGaN的合金组分，实现了激射波长从390 nm变到440 nm，室温下连续工作27小时。1997年，他们优化了晶体外延生长技术，使得GaN晶体中的位错密度得到大幅降低，在此基础上生长的激光器的寿命超过了1150小时。1999年，Nichia宣布GaN激光器实现商业化，从此引领全球GaN基高功率激光器的技术发展。

截止到目前，Nichia的大功率蓝光单管输出功率能够达到5W，大功率绿光单管输出功率能够达到1.5W。

2. Sony公司

Sony公司在Nichia公司之后研制出了波长440~450 nm，输出光功率最高达0.75 W的蓝光激光器。Sony公司利用自身优势，迅速将蓝/紫光激光器与其它高新技术相结合，推出了一系列引领技术潮流的新产品，包括蓝光DVD高密度存储设备以及“激光梦幻影院”等大屏幕激光投影设备。

图二：Sony公司激光梦幻影院

Sony公司于2005年在“日本爱知世界博览会”展出了世界最大投影系统。这个被称为“激光梦幻影院”的投影系统使用宽50 m、高10 m的超大屏幕，面积达2005英寸。

3. Sharp公司

2004 年Sharp公司首次使用MBE生长技术成功制备了的GaN基激光管，其阈值电流密度在30 kA/cm2左右，工作电压为 33 V，和早期MOCVD生长的 GaN基激光管性能接近。2005年Sharp制得了第一支MBE生长的室温连续激射激光管。

4. 其他国外公司

2007年，UCSB小组和Rohm公司几乎同时宣布了非极性面激光器的连续激射行为。
2010年，Osram公司研制成功波长在524~532 nm的绿光激光器。
2012年，Sumitomo Electric公司和Sony公司在(20-21) GaN衬底上实现了激射波长为525 nm的绿光激光器。在激光管表面温度为55 °C的情况下，光输出功率为70 mW时，工作寿命超过2000小时。

4. 中国研究机构

中国GaN基激光器起步较晚，中国科学院半导体研究所、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、北京大学、厦门大学等单位有相关研究工作。

北京大学于 2004年7月在国内首次实现了光泵浦下波长为410nm的GaN基多量子阱激光器受激发射；11月中国科学院半导体研究所宣布条型GaN基激光二极管的电注入受激发射，12月北京大学同时实现了波长为405nm的条型和脊型波导GaN基激光二极管原型器件的电注入受激发射。这标志着863计划项目所确定的目标——实现我国GaN基激光器零的突破得以实现。

在此后多年，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所和北京大学在激光器结构的优化设计、电学特性控制、掺杂技术、器件工艺等多方面都取得一定的突破，激光器的成品率和阈值电流等性能均得到了显著的提高。

5. 总结

截止到目前全球GaN基激光器主要还是以边发射激光器（EEL）为主，GaN基垂直腔面发射激光器（VCSEL）还没有完全产品化，功率和稳定性问题还没有解决。从目前看，Nichia和Sony公司垄断了大功率GaN激光器市场，而Sharp和Osram公司是全球中小功率（中功率单管光输出功率大概约为1.5W，小功率单管光输出功率约为30-100mW）GaN基激光器的主流供应商。

五、展望

全球的GaN激光应用蓬勃发展，而国内外市场均为国外巨头所垄断。我国厂商想要切入这块市场，还需要解决多个问题，我们在这里罗列部分问题如下：

高质量衬底材料
高质量外延结构
高质量欧姆接触
原子级晶体解理

虽然这个市场的难度极高，但从另一个角度看，任何一家中国厂商只要能够率先实现这些方面的技术突破并成功实现量产，就能与为数不多的国外巨头一起享用GaN激光器百亿人民币市场的甜美蛋糕。在芯魔的市场调研中，我们发现部分国内企业已具有实现技术突破，完成产线通线的可能性。具体结果如何，就请拭目以待吧。

本文由宇文戬和BandGap撰写供稿。