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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(dāng)前，新興顯示技術(shù)爭(zhēng)奇斗艷，OLED、Micro LED、QLED、激光顯示....均在爭(zhēng)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(diǎn)，被認(rèn)為是未來顯示技術(shù)的有力競(jìng)爭(zhēng)者。中國(guó)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(biāo)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(guó)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(guó)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(guó)在顯示領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的契機(jī)。

  激光顯示正從藍(lán)光+熒光粉的傳統(tǒng)技術(shù)，向紅綠藍(lán)三基色激光顯示邁進(jìn)，這在色度學(xué)方面是重大突破，解決了顯示技術(shù)領(lǐng)域長(zhǎng)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(lán)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(duì)激光器的的壽命及可靠性要求較高。紅光LD波長(zhǎng)越短，光效勢(shì)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(duì)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(huì)使半導(dǎo)體激光器的內(nèi)量子效率降低，功率轉(zhuǎn)換效率下降，還會(huì)導(dǎo)致器件的特征溫度變低，輸出功率對(duì)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(shí)摻雜劑向有源區(qū)擴(kuò)散，缺陷數(shù)量增加，影響激光器可靠性的同時(shí)，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(dǎo)致激光器發(fā)生腔面災(zāi)變損傷（COD）；同時(shí)為提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，要求外延片波長(zhǎng)均勻性較好，對(duì)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(jìn)展和應(yīng)用趨勢(shì)。

  紅光半導(dǎo)體激光器具有體積小、壽命長(zhǎng)、電光轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，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(zhǔn)直標(biāo)線儀、醫(yī)療保健設(shè)備等領(lǐng)域。同時(shí)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(guó)際上，雖然歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家特別是德國(guó)的歐司朗公司以及Ferdinand-Braun 研究所[5]、美國(guó)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?yàn)榧t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(chǎng)也被日系廠商所壟斷。

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

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

  三菱于2009年發(fā)布用于彩色投影儀的638 nm半導(dǎo)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(diǎn)將連續(xù)輸出功率提升至1.8W，2015年將發(fā)光點(diǎn)個(gè)數(shù)增加至3個(gè)，使脈沖輸出功率達(dá)到2.5W（ML562G84脈沖紅色大功率半導(dǎo)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(dāng)年所報(bào)道的638 nm波段激光器中功率最高的半導(dǎo)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(dǎo)體激光器（型號(hào)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(gòu)Oclaro半導(dǎo)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(dǎo)體激光器，分別為單發(fā)光點(diǎn)637 nm/1.2 W (CW)/1.5 W (Pulse)和雙發(fā)光點(diǎn)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(diǎn)激光器，型號(hào)為HL63520HD，其在25 ℃、連續(xù)電流2.4 A下，可實(shí)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(dá)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(jì)80年代，我國(guó)便在國(guó)家“863”計(jì)劃中安排了激光全色顯示項(xiàng)目，圍繞激光顯示技術(shù)成立了產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，旨在進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)激光顯示產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。科技部近幾年通過國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃集中優(yōu)勢(shì)資源，布局三基色光源等關(guān)鍵元件和整機(jī)進(jìn)行研發(fā)，取得了豐碩的成果。目前中國(guó)激光顯示專利申請(qǐng)量國(guó)際領(lǐng)先，專利布局也最為全面，覆蓋了光源、控制、光機(jī)、整機(jī)和光學(xué)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(kuò)Zn方式替代原有氣態(tài)擴(kuò)Zn方式，提升非吸收窗口工藝的穩(wěn)定性及重復(fù)性，制備出了連續(xù)輸出功率高達(dá)4.2 W的660 nm半導(dǎo)體激光器。2019年，濟(jì)南大學(xué)夏偉等[12]制備出條寬100 μm、腔長(zhǎng)1.5 mm的640 nm半導(dǎo)體激光器并對(duì)比研究其封裝在不同導(dǎo)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(dá)2.9 W。當(dāng)芯片封裝在導(dǎo)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(guó)內(nèi)極少數(shù)研發(fā)生產(chǎn)大功率半導(dǎo)體激光芯片的公司，從2016年開始，參與和承擔(dān)了科技部在2016-2018年重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃里與紅光顯示光源相關(guān)的全部6個(gè)課題， 并為2017年“高光束質(zhì)量、低閾值、長(zhǎng)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(diǎn)研發(fā)計(jì)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，成功導(dǎo)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(zhǎng) 1.5 mm的尺寸結(jié)構(gòu)（見圖3），而2.5W 638nm芯片則采用三個(gè)發(fā)光點(diǎn)，每個(gè)發(fā)光點(diǎn)條寬為60μm、腔長(zhǎng)1.5mm的尺寸結(jié)構(gòu)（見圖4）。

   

圖3 單發(fā)光點(diǎn)，條寬110μm結(jié)構(gòu)

  

圖 4 三發(fā)光點(diǎn)，條寬60μm×3結(jié)構(gòu)

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

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

  從目前雙方對(duì)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(zhǎng)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(biāo)方面已經(jīng)達(dá)到世界領(lǐng)先地位。同時(shí)，瑞波開發(fā)的多發(fā)光點(diǎn)638 nm芯片，665 nm芯片在性能上也填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，并且達(dá)到世界前列。

  近20年來，激光顯示在我國(guó)經(jīng)歷了從原理可行、技術(shù)可行到產(chǎn)業(yè)可行的三個(gè)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(chǎng)上，我國(guó)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(guó)產(chǎn)化率不超過20%。

  已形成產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)的激光顯示領(lǐng)域，國(guó)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(guó)產(chǎn)化已經(jīng)全面開展，預(yù)計(jì)3年內(nèi)國(guó)產(chǎn)化比例將提升到75%-80%。

激光電視是中國(guó)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(guó)企業(yè)一次漂亮的“變道超車”。長(zhǎng)期來看，中國(guó)激光電視穩(wěn)態(tài)出貨量水平或在600萬臺(tái)上下，而如果考慮到激光電視對(duì)商用場(chǎng)景與全球市場(chǎng)的滲透，長(zhǎng)期發(fā)展空間將更為廣闊。由于具有更大的技術(shù)成長(zhǎng)空間和明顯的技術(shù)路線優(yōu)勢(shì)，激光電視吸引了多家巨頭悄然進(jìn)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(qǐng)了1439項(xiàng)國(guó)內(nèi)外專利，授權(quán)575項(xiàng)，為激光顯示的升級(jí)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
 

圖6海信全色激光電視L9G獲評(píng)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(dá)到3000流明）來源：搜狐

  此外，長(zhǎng)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(jìn)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(jī)。

  另外，今年激光顯示在應(yīng)用邊界上又開始滲透到一個(gè)更為巨大的“細(xì)分領(lǐng)域”——智能微投市場(chǎng)，降維打擊。從體量來看，2021年全年智能家用投影市場(chǎng)有望突破400萬臺(tái)，這將是投影產(chǎn)業(yè)高光的‘細(xì)分市場(chǎng)’。綜合來看，激光投影/顯示應(yīng)用對(duì)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(tái)/景觀/汽車（圖7））、醫(yī)美領(lǐng)域（光動(dòng)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(jī)。其中，激光照明對(duì)638nm的要求是耐高溫特性好，一般采取風(fēng)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(zhǎng)一般為650nm和665nm，區(qū)別顯示應(yīng)用的638nm波長(zhǎng)。
 

圖7 雷諾的Trezor概念車采用標(biāo)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(xué)家們利用光動(dòng)力療法(PDT)，將藥物與紅色激光配合使用，對(duì)黑素瘤皮膚癌細(xì)胞形成致命的組合式打擊。來源：美國(guó)國(guó)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(qiáng)的光。使用激光的優(yōu)點(diǎn)是它們可能需要更短的與光敏劑的孵育時(shí)間。

  激光顯示和照明市場(chǎng)蘊(yùn)藏著龐大商機(jī)。國(guó)產(chǎn)大功率紅光芯片，極大地拉近了中國(guó)與世界的差距，并且某些性能指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先，為中國(guó)未來的激光顯示、照明以及激光醫(yī)療市場(chǎng)的爆發(fā)增長(zhǎng)提供了堅(jiān)實(shí)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(jì)劃進(jìn)入該領(lǐng)域，為國(guó)產(chǎn)RGB芯片的發(fā)展壯大助力。我們也需要認(rèn)識(shí)到，目前國(guó)內(nèi)仍缺乏大功率RGB激光芯片封裝的經(jīng)驗(yàn)，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(jìn)口，這需要業(yè)界在未來做更多的努力和進(jìn)步。

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[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.

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