从缺陷机制到优化路径做GaN基半导体激光器的可靠性提升研究

    在光电子器件领域，GaN基半导体激光器凭借其在显示、通信等领域的广泛应用，其可靠性问题一直是业界研究的核心议题。器件的长期稳定运行不仅与外延生长质量密切相关，芯片工艺的各个环节亦可能成为制约可靠性的关键因素。深入探究其退化机制，对于提升器件使用寿命具有重要的理论与实践意义。

    一、点缺陷：内部损耗的核心诱因
    GaN基激光器的性能退化在很大程度上源于光学损耗的增加，而内部损耗的根源往往指向有源区的结构缺陷。与位错等宏观缺陷相比，点缺陷因具有微观尺度特性，更难被直接观测，但其对器件性能的影响尤为显著。
    通过对老化样品的对比分析可知，经过电流注入的脊型区与未注入的非脊型区在多量子阱结构上未呈现明显差异。透射电镜观测显示，两者界面均保持锐利，且未观察到位错增殖现象，这表明位错并非导致性能退化的主要因素。然而，阴极发光（CL）测试揭示了关键差异：脊型区的460nm波长发光强度仅为非脊型区的26%，归一化强度分布曲线清晰显示电流注入区域的光学性能显著衰减。
    这种衰减源于点缺陷的累积。有源区中的镓空位（VGa）、氮空位（VN）等本征缺陷，以及镁（Mg）、硅（Si）等杂质扩散形成的外来缺陷，均会成为非辐射复合中心（NRCs）。这些中心会大幅降低内量子效率（IQE），导致载流子在参与辐射复合前即因缺陷而损耗，直接削弱激光输出效率。由于点缺陷难以通过常规手段表征，其扩散机制与形成能的精准计算，成为后续研究需突破的关键难点。

    二、腔面劣化：镜面损耗的关键影响因素
    若点缺陷属于“慢性损耗”，则腔面劣化可能引发器件的“突发性失效”。激光器腔面由解理工艺形成，表面存在大量悬空键，这些悬空键在氧气与光子的作用下，易形成氧化物与碳沉积，进而引发灾难性光学损伤（COD）。
    二次离子质谱（SIMS）分析为腔面劣化提供了直接实验证据。对老化器件的检测显示，p型层中硅元素的扩散深度可达500纳米，该现象源于SiO₂镜面镀层的失效。镀层平整度被破坏后，局部腔体长度发生改变，镜面反射率下降，导致镜面损耗急剧增加。更为严重的是，腔面缺陷引发的非辐射复合会产生局部高温，进一步加速膜层扩散与氧化，形成“劣化-升温-更劣化”的恶性循环。

    三、载流子注入：杂质扩散引发的性能劣变
    杂质扩散不仅影响光学性能，还会对载流子注入特性产生显著负面影响。作为p型掺杂的关键元素，镁（Mg）向有源区的扩散会改变p-n结的载流子分布，而硅（Si）在p型层的扩散则加剧了这一失衡。
    GaN材料的p型掺杂本就因镁的高电离能面临挑战，硅作为施主杂质，会通过空穴补偿作用降低有效载流子浓度。实验数据表明，老化后器件的p型层有效空穴浓度显著降低，导致载流子注入效率恶化，粒子数反转难以维持。这直接体现在器件电学特性上：开启电压前的正向电流异常增大，标志着p-n结性能的退化，而该现象主要由硅的扩散主导。

    四、温度：驱动退化的关键因素
    温度在器件退化过程中起到了“催化剂”的作用。激光器工作时，光学损耗增加与载流子注入效率下降会产生大量热能，导致器件整体温度升高，而温度升高又会进一步加速杂质扩散与缺陷增殖。
    通过300-500K温度范围内的仿真与实验对比发现，温度升高会引发一系列性能劣化：阈值电流增大、斜率效率降低，导致光输出功率下降；同时，正向电压随温度升高而降低，进一步加剧能量转换效率的恶化。值得注意的是，老化样品的L-I特性与450-500K温区的模拟结果高度吻合，证实了温度在长期运行中对器件可靠性的决定性影响。

    五、可靠性提升的技术路径
    针对上述机制，提升GaN基激光器的可靠性需从多维度开展工作。在材料层面，通过优化外延生长工艺减少本征点缺陷，精准控制镁、硅等杂质的分布；在结构设计上，可借鉴氮化铝（AlN）钝化层的技术思路，抑制腔面镀层的扩散与氧化；在热管理方面，开发高效散热结构以抑制温度升高引发的连锁反应。
    GaN基激光器的可靠性提升是一项系统工程，需跨越外延、工艺、封装等多个环节。唯有厘清缺陷产生与演化的内在机理，方能针对性地提出解决方案，为高功率、长寿命器件的研发提供坚实的理论与技术支撑。