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于占濤，謝曳華，胡海

深圳瑞波光電子有限公司

原文發(fā)表于《光電產(chǎn)品與資訊》2021/12

  當前，新興顯示技術(shù)爭奇斗艷，OLED、Micro LED、QLED、激光顯示....均在爭奪下一代顯示技術(shù)的領(lǐng)頭羊。這其中，激光顯示憑借大色域、大屏幕、高分辨率、數(shù)字化等特點，被認為是未來顯示技術(shù)的有力競爭者。中國工程院院士許祖彥也曾介紹道：“顯示產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程是從標清走向高清，目前正在走向超高清，激光顯示技術(shù)一定能成為下一代顯示產(chǎn)業(yè)的主流技術(shù)。”

  1966年，美國芝加哥Zenith廣播公司研究部Korpel等［1］首次提出將激光作為顯示光源的想法，隨后各國研究人員紛紛投入到激光顯示的研究大潮中。激光顯示技術(shù)的出現(xiàn)，也為我國在顯示領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的契機。

  激光顯示正從藍光+熒光粉的傳統(tǒng)技術(shù)，向紅綠藍三基色激光顯示邁進，這在色度學方面是重大突破，解決了顯示技術(shù)領(lǐng)域長期以來懸而未決的大色域色彩再現(xiàn)的難題，能夠完美地再現(xiàn)自然色彩。

  其中紅光LD屬于GaAs材料體系，藍光和綠光LD屬于GaN材料體系。紅光LD在激光顯示等領(lǐng)域應(yīng)用，需要保持穩(wěn)定的光模式及激光功率輸出，對激光器的的壽命及可靠性要求較高。紅光LD波長越短，光效勢能越高，但紅光激光器采用AlGaInP/GaInP結(jié)構(gòu)，有源區(qū)及限制層的帶隙差較小，因而對注入載流子的限制能力較差，容易產(chǎn)生泄露電流。這不僅會使半導體激光器的內(nèi)量子效率降低，功率轉(zhuǎn)換效率下降，還會導致器件的特征溫度變低，輸出功率對溫度的敏感度變高。通過提高P限制層摻雜濃度，有助于抑制電子溢出，然而高摻時摻雜劑向有源區(qū)擴散，缺陷數(shù)量增加，影響激光器可靠性的同時，載流子吸收損耗增大；為滿足屏幕顯示需求，需要提高激光器的輸出功率，容易導致激光器發(fā)生腔面災(zāi)變損傷（COD）；同時為提升市場競爭力，要求外延片波長均勻性較好，對產(chǎn)品一致性提出了更高的要求，因此研制大功率紅光LD存在非常大的技術(shù)挑戰(zhàn)和困難。

  本文主要介紹作為三基色激光顯示的核心元件之一的大功率紅光638 nm激光器的技術(shù)進展和應(yīng)用趨勢。

  紅光半導體激光器具有體積小、壽命長、電光轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點，逐步取代了傳統(tǒng)的He-Ne氣體激光器及紅寶石固體激光器，廣泛應(yīng)用于光盤讀寫系統(tǒng)、條形碼閱讀器、準直標線儀、醫(yī)療保健設(shè)備等領(lǐng)域。同時隨著功率和性能不斷提升，逐步應(yīng)用于激光電視、便攜式投影儀、景觀照明等激光顯示和照明設(shè)備中[2-4]。

  在國際上，雖然歐美等發(fā)達國家特別是德國的歐司朗公司以及Ferdinand-Braun 研究所[5]、美國nLight均有一定的投入，紅光LD的研發(fā)主要集中在日本幾大電子公司，包括三菱、USHIO（牛尾，原日立）、夏普、索尼、NEC、松下等。之所以如此，是因為紅光LD與家用電子技術(shù)密切相關(guān)，比如早期的小功率紅光LD主要應(yīng)用于VCD和DVD，演變至今，目前激光顯示和照明用的大功率紅光激光器市場也被日系廠商所壟斷。

  研究表明，大于 600 nm 的紅色激光波長越短，光視效能越高；波長越長，則色域覆蓋的范圍越大[3]。根據(jù)國家電視標準委員會（NTSC）的標準，當選用 620 nm紅光時，光視效能為0.33 lm/W，此時的色域可達161%；當選用650 nm的紅光時，色域高達211%，光視效能則降為0.141 lm/W［6］。所以，在實際應(yīng)用中，需要綜合考慮激光顯示應(yīng)用的場景和光源系統(tǒng)的性能，來選擇合適的激光波長。目前，國際上用于激光顯示的紅光波長通常集中在630～650 nm，其中638 nm紅光半導體激光器的綜合效能最高。但是波長短功率又高的紅光激光器是技術(shù)難點。

索尼在2006年7月舉行的“日本東京國際激光產(chǎn)品與光學技術(shù)展覽會（InterOpto06）” 上展示了643 nm波長的高功率半導體激光器[7]，輸出功率高達3 W。其在產(chǎn)品驗證階段已經(jīng)確認輸出功率可提高到7 W，而此次展品最高輸出功率也可達4 W。

  三菱于2009年發(fā)布用于彩色投影儀的638 nm半導體激光器，而后其輸出功率也在不斷突破，2010年推出連續(xù)工作功率500 mW產(chǎn)品, 2014年采用雙發(fā)光點將連續(xù)輸出功率提升至1.8W，2015年將發(fā)光點個數(shù)增加至3個，使脈沖輸出功率達到2.5W（ML562G84脈沖紅色大功率半導體激光器，性能見圖1）。2018年12月發(fā)布脈沖輸出功率3.0W產(chǎn)品- ML562G86（2019年4月正式發(fā)布），成為當年所報道的638 nm波段激光器中功率最高的半導體激光器［8］，自此以后，三菱再無638nm新品推出。

圖1三菱2.5 W 638 nm 半導體激光器（型號ML562G84）功率電流曲線(脈沖)

  Oclaro公司2014年推出638 nm/700 mW激光二極管［9］，為多橫模AlGaInP激光器。2014年8月，USHIO收購Oclaro半導體激光和LED業(yè)務(wù)，該激光二極管沿用至今。在2017年，USHIO接連發(fā)布兩款高功率紅光半導體激光器，分別為單發(fā)光點637 nm/1.2 W (CW)/1.5 W (Pulse)和雙發(fā)光點638 nm/2.2 W (CW)/2.8 W (Pulse)激光二極管。2019年，USHIO推出更高功率雙發(fā)光點激光器，型號為HL63520HD，其在25 ℃、連續(xù)電流2.4 A下，可實現(xiàn)2.4 W連續(xù)工作功率，而在頻率120 Hz、占空比30%、電流為3.3 A的脈沖條件下，脈沖工作功率可達3.5 W［10］，比三菱2018年推出的3.0 W脈沖輸出激光器高出17%（見圖2），成為世界上最高功率638nm激光器。自此以后，USHIO再無638nm新品推出。

圖2 USHIO 638 nm 2.4 W (CW)/3.5 W (Pulse)（HL63520HD）功率電流曲線（CW和Pulse）

  早在20世紀80年代，我國便在國家“863”計劃中安排了激光全色顯示項目，圍繞激光顯示技術(shù)成立了產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，旨在進一步推動我國激光顯示產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。科技部近幾年通過國家重點研發(fā)計劃集中優(yōu)勢資源，布局三基色光源等關(guān)鍵元件和整機進行研發(fā)，取得了豐碩的成果。目前中國激光顯示專利申請量國際領(lǐng)先，專利布局也最為全面，覆蓋了光源、控制、光機、整機和光學元件，初步形成專利池。

  在研究方面，非吸收窗口、腔面鈍化、大光腔結(jié)構(gòu)、電流非注入窗口等關(guān)鍵技術(shù)，都可以有效抑制COMD現(xiàn)象，提高器件的單管輸出功率。

  2018年，山東華光朱振等［11］將固態(tài)擴Zn方式替代原有氣態(tài)擴Zn方式，提升非吸收窗口工藝的穩(wěn)定性及重復性，制備出了連續(xù)輸出功率高達4.2 W的660 nm半導體激光器。2019年，濟南大學夏偉等[12]制備出條寬100 μm、腔長1.5 mm的640 nm半導體激光器并對比研究其封裝在不同導熱系數(shù)熱沉材料上的性能。在室溫25℃下，封裝在AlN熱沉上，器件的熱阻約為9.1 K/W，閾值電流為0.45 A，最高輸出功率可達2.9 W。當芯片封裝在導熱系數(shù)更高的SiC熱沉上，器件的熱阻降至5.6 K/W，閾值電流減小至0.42 A，最高輸出功率顯著提升至3.9W，增幅34.5%。

  深圳瑞波光電子有限公司作為國內(nèi)極少數(shù)研發(fā)生產(chǎn)大功率半導體激光芯片的公司，從2016年開始，參與和承擔了科技部在2016-2018年重點研發(fā)計劃里與紅光顯示光源相關(guān)的全部6個課題， 并為2017年“高光束質(zhì)量、低閾值、長壽命、低成本紅光LD 材料及器件關(guān)鍵技術(shù)與工程化研究”重點研發(fā)計劃的總牽頭單位。目前瑞波光電的638 nm激光芯片經(jīng)過多年的刻苦研發(fā)，攻克了量子阱混雜、非吸收窗口和腔面鈍化等多項關(guān)鍵技術(shù)，成功導入批量生產(chǎn)和上市。目前已經(jīng)量產(chǎn)的有0.5 W、1 W、2.5 W 638 nm芯片以及2 W 665 nm芯片。

  其中1 W 638 nm芯片采用110 μm發(fā)光條寬，腔長 1.5 mm的尺寸結(jié)構(gòu)（見圖3），而2.5W 638nm芯片則采用三個發(fā)光點，每個發(fā)光點條寬為60μm、腔長1.5mm的尺寸結(jié)構(gòu)（見圖4）。

   

圖3 單發(fā)光點，條寬110μm結(jié)構(gòu)

  

圖 4 三發(fā)光點，條寬60μm×3結(jié)構(gòu)

瑞波與三菱紅光芯片性能參數(shù)對比表（1.5 mm腔長， 40 μm條寬）

圖5 瑞波與三菱紅光芯片在25℃、CW下PI曲線對比（1.5 mm腔長，40μm條寬）

  從目前雙方對比結(jié)果看，已經(jīng)商業(yè)化的三菱500 mW紅光LD的T0溫度參數(shù)與瑞波批量制造的紅光LD一致，波長也一致，不過瑞波光電的紅光LD在輸出功率略勝一籌，可以說在核心指標方面已經(jīng)達到世界領(lǐng)先地位。同時，瑞波開發(fā)的多發(fā)光點638 nm芯片，665 nm芯片在性能上也填補國內(nèi)空白，并且達到世界前列。

  近20年來，激光顯示在我國經(jīng)歷了從原理可行、技術(shù)可行到產(chǎn)業(yè)可行的三個發(fā)展階段。到2019年，激光顯示上下游產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)超過100家，年產(chǎn)值超過150億元。

  在目前的顯示市場上，我國大陸地區(qū)液晶面板產(chǎn)量雖已位居全球前列，行業(yè)數(shù)據(jù)顯示，僅僅在面板上游的材料產(chǎn)業(yè)，包括偏光片、玻璃基板、靶材、光掩膜版、光刻膠等產(chǎn)品，國產(chǎn)化率不超過20%。

  已形成產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢的激光顯示領(lǐng)域，國產(chǎn)化率目前在45%-55%的區(qū)間，發(fā)展空間巨大。核心器件和部件的國產(chǎn)化已經(jīng)全面開展，預計3年內(nèi)國產(chǎn)化比例將提升到75%-80%。

激光電視是中國電視史上自主研發(fā)程度極高的電視產(chǎn)品，在全球顯示產(chǎn)業(yè)發(fā)展史上，這是中國企業(yè)一次漂亮的“變道超車”。長期來看，中國激光電視穩(wěn)態(tài)出貨量水平或在600萬臺上下，而如果考慮到激光電視對商用場景與全球市場的滲透，長期發(fā)展空間將更為廣闊。由于具有更大的技術(shù)成長空間和明顯的技術(shù)路線優(yōu)勢，激光電視吸引了多家巨頭悄然進入。

  家電巨頭海信從2007年起布局激光顯示。截至2021年6月30日，其在激光顯示領(lǐng)域已經(jīng)申請了1439項國內(nèi)外專利，授權(quán)575項，為激光顯示的升級奠定了堅實的基礎(chǔ)。
 

圖6海信全色激光電視L9G獲評2021年“激光超短焦產(chǎn)品之王”（最左側(cè)為海信激光電視L9G，使用RGB三色激光光源，達到3000流明）來源：搜狐

  此外，長虹已完成全渠道、系列化激光顯示產(chǎn)品布局。小米、百度、阿里紛紛直接或間接進入激光電視領(lǐng)域；光峰光電2019年上市，募集資金10億元致力于激光顯示開發(fā)；中科極光完成新一輪融資...更多的巨頭正在躍躍欲試，潛心研發(fā)，希望能在這條新賽道上搶占先機。

  另外，今年激光顯示在應(yīng)用邊界上又開始滲透到一個更為巨大的“細分領(lǐng)域”——智能微投市場，降維打擊。從體量來看，2021年全年智能家用投影市場有望突破400萬臺，這將是投影產(chǎn)業(yè)高光的‘細分市場’。綜合來看，激光投影/顯示應(yīng)用對紅光激光芯片的要求一般為功率高、可靠性高、一致性好等，一般都采取一定的溫控措施，芯片工作溫度受控。

  除此之外，紅光激光器在照明領(lǐng)域（舞臺/景觀/汽車（圖7））、醫(yī)美領(lǐng)域（光動力治療PDT（圖8）、生發(fā)植發(fā)等）均展現(xiàn)出很好的應(yīng)用商機。其中，激光照明對638nm的要求是耐高溫特性好，一般采取風冷方式，所以要求高溫工作條件下的功率穩(wěn)定度高，衰減少，這與投影應(yīng)用要求有所不同。醫(yī)美/生發(fā)的波長一般為650nm和665nm，區(qū)別顯示應(yīng)用的638nm波長。
 

圖7 雷諾的Trezor概念車采用標志性的C形后部照明采用紅色激光照明加光纖的方式，創(chuàng)造了一種有趣的視覺效果。來源：Motortrend

圖8 科學家們利用光動力療法(PDT)，將藥物與紅色激光配合使用，對黑素瘤皮膚癌細胞形成致命的組合式打擊。來源：美國國立癌癥研究所(National CancerInstitute,NCI)

  在PDT（Photodynamic Therapy, PDT）手術(shù)中，醫(yī)生也開始使用激光代替LED燈作為光源。激光和LED照明設(shè)備之間的主要區(qū)別在于，與LED設(shè)備相比，激光照射在皮膚更小、更集中的區(qū)域，并向該區(qū)域發(fā)出更強的光。使用激光的優(yōu)點是它們可能需要更短的與光敏劑的孵育時間。

  激光顯示和照明市場蘊藏著龐大商機。國產(chǎn)大功率紅光芯片，極大地拉近了中國與世界的差距，并且某些性能指標已經(jīng)達到國際領(lǐng)先，為中國未來的激光顯示、照明以及激光醫(yī)療市場的爆發(fā)增長提供了堅實的發(fā)展基礎(chǔ)，除此之外，我們也了解到越來越多的企業(yè)計劃進入該領(lǐng)域，為國產(chǎn)RGB芯片的發(fā)展壯大助力。我們也需要認識到，目前國內(nèi)仍缺乏大功率RGB激光芯片封裝的經(jīng)驗，例如TO封裝、多芯片陣列封裝等，部分關(guān)鍵原材料如熱沉、管座等仍需要進口，這需要業(yè)界在未來做更多的努力和進步。

[1] A.Korpel, R.Adler, P.Desmares,et al. A television display using acoustic deflection and modulation of coherent light [J].Applied Optics, 1966,5(10):1667-1675.

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[3] 孟雪，寧永強，張建偉，等. 面向激光顯示的紅光半導體激光器的研究進展[J].激光與光電子學進展，2019,56(18)：1-12.

[4] H.Hiroki.Progress of aluminum gallium indium phosphide red laser diodes and beyond[J]. Fiber and Integrated Optics，34：259-281，2015

[5] Bernd Sumpf, Martin Zorn, Ralf Staske,et al. 3-W broad area lasers and 12-W bars with conversion efficiencies up to 40% at 650 nm[J].IEEE J. Of Select. Quantum Electronics, 2007,13(5):1188-1192

[6] E.Buckley.Laser wavelength choices for pico-projector applications[J].Journal of DisplayTechnology,2011,7(7):402-406.

[7]科技簡訊.索尼開發(fā)出紅光激光器用作投影機光源[J].光機電信息,2007,(6):64.

[8] News release from Mitsubishi Electric Corporation 

https://www.mitsubishielectric.com/news/2018/1219.html

[9]Oclaro公司推出638 nm/700 mW激光二極管[EB/OL].激光世界LaserFocusWorld/2014-11-14.

[10] M.Hagimoto，S.Miyamoto, Y.Kimura , et al. USHIO 3.5W red laser diode for projector light source[C]// Novel In-Plane Semiconductor Lasers XVIII. 2019.

[11] 朱振, 張新, 肖成峰,等. 高可靠性瓦級660 nm半導體激光器研制[J]. 中國激光, 2018, 45(5):5.

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