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大功率638nm红光激光器助力显示照明市场爆发
发布时间:2022-06-23
浏览量:5284 次
于占涛,谢曳华,胡海
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原文发表于《光电产品与资讯》2021/12

 

1、引言
  当前,新兴显示技术争奇斗艳,OLED、Micro LED、QLED、激光显示....均在争夺下一代显示技术的领头羊。这其中,激光显示凭借大色域、大屏幕、高分辨率、数字化等特点,被认为是未来显示技术的有力竞争者。中国工程院院士许祖彦也曾介绍道:“显示产业的发展历程是从标清走向高清,目前正在走向超高清,激光显示技术一定能成为下一代显示产业的主流技术。”
  1966年,美国芝加哥Zenith广播公司研究部Korpel等[1]首次提出将激光作为显示光源的想法,随后各国研究人员纷纷投入到激光显示的研究大潮中。激光显示技术的出现,也为我国在显示领域的发展提供了新的契机。
  激光显示正从蓝光+荧光粉的传统技术,向红绿蓝三基色激光显示迈进,这在色度学方面是重大突破,解决了显示技术领域长期以来悬而未决的大色域色彩再现的难题,能够完美地再现自然色彩。
  其中红光LD属于GaAs材料体系,蓝光和绿光LD属于GaN材料体系。红光LD在激光显示等领域应用,需要保持稳定的光模式及激光功率输出,对激光器的的寿命及可靠性要求较高。红光LD波长越短,光效势能越高,但红光激光器采用AlGaInP/GaInP结构,有源区及限制层的带隙差较小,因而对注入载流子的限制能力较差,容易产生泄露电流。这不仅会使半导体激光器的内量子效率降低,功率转换效率下降,还会导致器件的特征温度变低,输出功率对温度的敏感度变高。通过提高P限制层掺杂浓度,有助于抑制电子溢出,然而高掺时掺杂剂向有源区扩散,缺陷数量增加,影响激光器可靠性的同时,载流子吸收损耗增大;为满足屏幕显示需求,需要提高激光器的输出功率,容易导致激光器发生腔面灾变损伤(COD);同时为提升市场竞争力,要求外延片波长均匀性较好,对产品一致性提出了更高的要求,因此研制大功率红光LD存在非常大的技术挑战和困难。

 

  本文主要介绍作为三基色激光显示的核心元件之一的大功率红光638 nm激光器的技术进展和应用趋势。

   

2、国外技术进展
  红光半导体激光器具有体积小、寿命长、电光转换效率高等优点,逐步取代了传统的He-Ne气体激光器及红宝石固体激光器,广泛应用于光盘读写系统、条形码阅读器、准直标线仪、医疗保健设备等领域。同时随着功率和性能不断提升,逐步应用于激光电视、便携式投影仪、景观照明等激光显示和照明设备中[2-4]。
  在国际上,虽然欧美等发达国家特别是德国的欧司朗公司以及Ferdinand-Braun 研究所[5]、美国nLight均有一定的投入,红光LD的研发主要集中在日本几大电子公司,包括三菱、USHIO(牛尾,原日立)、夏普、索尼、NEC、松下等。之所以如此,是因为红光LD与家用电子技术密切相关,比如早期的小功率红光LD主要应用于VCD和DVD,演变至今,目前激光显示和照明用的大功率红光激光器市场也被日系厂商所垄断。
  研究表明,大于 600 nm 的红色激光波长越短,光视效能越高;波长越长,则色域覆盖的范围越大[3]。根据国家电视标准委员会(NTSC)的标准,当选用 620 nm红光时,光视效能为0.33 lm/W,此时的色域可达161%;当选用650 nm的红光时,色域高达211%,光视效能则降为0.141 lm/W[6]。所以,在实际应用中,需要综合考虑激光显示应用的场景和光源系统的性能,来选择合适的激光波长。目前,国际上用于激光显示的红光波长通常集中在630~650 nm,其中638 nm红光半导体激光器的综合效能最高。但是波长短功率又高的红光激光器是技术难点。
索尼在2006年7月举行的“日本东京国际激光产品与光学技术展览会(InterOpto06)” 上展示了643 nm波长的高功率半导体激光器[7],输出功率高达3 W。其在产品验证阶段已经确认输出功率可提高到7 W,而此次展品最高输出功率也可达4 W。
  三菱于2009年发布用于彩色投影仪的638 nm半导体激光器,而后其输出功率也在不断突破,2010年推出连续工作功率500 mW产品, 2014年采用双发光点将连续输出功率提升至1.8W,2015年将发光点个数增加至3个,使脉冲输出功率达到2.5W(ML562G84脉冲红色大功率半导体激光器,性能见图1)。2018年12月发布脉冲输出功率3.0W产品- ML562G86(2019年4月正式发布),成为当年所报道的638 nm波段激光器中功率最高的半导体激光器[8],自此以后,三菱再无638nm新品推出。

 

图1三菱2.5 W 638 nm 半导体激光器(型号ML562G84)功率电流曲线(脉冲)

 

  Oclaro公司2014年推出638 nm/700 mW激光二极管[9],为多横模AlGaInP激光器。2014年8月,USHIO收购Oclaro半导体激光和LED业务,该激光二极管沿用至今。在2017年,USHIO接连发布两款高功率红光半导体激光器,分别为单发光点637 nm/1.2 W (CW)/1.5 W (Pulse)和双发光点638 nm/2.2 W (CW)/2.8 W (Pulse)激光二极管。2019年,USHIO推出更高功率双发光点激光器,型号为HL63520HD,其在25 ℃、连续电流2.4 A下,可实现2.4 W连续工作功率,而在频率120 Hz、占空比30%、电流为3.3 A的脉冲条件下,脉冲工作功率可达3.5 W[10],比三菱2018年推出的3.0 W脉冲输出激光器高出17%(见图2),成为世界上最高功率638nm激光器。自此以后,USHIO再无638nm新品推出。

      

图2 USHIO 638 nm 2.4 W (CW)/3.5 W (Pulse)(HL63520HD)功率电流曲线(CW和Pulse)

 

3、国内技术进展
  早在20世纪80年代,我国便在国家“863”计划中安排了激光全色显示项目,围绕激光显示技术成立了产业联盟,旨在进一步推动我国激光显示产业的发展。科技部近几年通过国家重点研发计划集中优势资源,布局三基色光源等关键元件和整机进行研发,取得了丰硕的成果。目前中国激光显示专利申请量国际领先,专利布局也最为全面,覆盖了光源、控制、光机、整机和光学元件,初步形成专利池。
  在研究方面,非吸收窗口、腔面钝化、大光腔结构、电流非注入窗口等关键技术,都可以有效抑制COMD现象,提高器件的单管输出功率。
  2018年,山东华光朱振等[11]将固态扩Zn方式替代原有气态扩Zn方式,提升非吸收窗口工艺的稳定性及重复性,制备出了连续输出功率高达4.2 W的660 nm半导体激光器。2019年,济南大学夏伟等[12]制备出条宽100 μm、腔长1.5 mm的640 nm半导体激光器并对比研究其封装在不同导热系数热沉材料上的性能。在室温25℃下,封装在AlN热沉上,器件的热阻约为9.1 K/W,阈值电流为0.45 A,最高输出功率可达2.9 W。当芯片封装在导热系数更高的SiC热沉上,器件的热阻降至5.6 K/W,阈值电流减小至0.42 A,最高输出功率显著提升至3.9W,增幅34.5%。
  best365体育官网平台作为国内极少数研发生产大功率半导体激光芯片的公司,从2016年开始,参与和承担了科技部在2016-2018年重点研发计划里与红光显示光源相关的全部6个课题, 并为2017年“高光束质量、低阈值、长寿命、低成本红光LD 材料及器件关键技术与工程化研究”重点研发计划的总牵头单位。目前best365网页版登录的638 nm激光芯片经过多年的刻苦研发,攻克了量子阱混杂、非吸收窗口和腔面钝化等多项关键技术,成功导入批量生产和上市。目前已经量产的有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发光条宽,腔长 1.5 mm的尺寸结构(见图3),而2.5W 638nm芯片则采用三个发光点,每个发光点条宽为60µm、腔长1.5mm的尺寸结构(见图4)。

 

   
图3 单发光点,条宽110µm结构

 

  
图 4 三发光点,条宽60µm×3结构

 

  best365同时也研发出665 nm单发光点、40µm条宽和110µm条宽结构的红光LD,因波长较长,665 nm红光LD的光电性能显著优于640 nm红光LD。由于全球大功率红光LD市场主要被日系厂商所垄断,代表厂商为三菱、USHIO和Sharp,其中三菱产品最为领先,市场份额也是最大。因为三菱没有发光条宽为110µm的芯片,所以best365以500 mW 40µm条宽的红光LD与三菱近似规格的50µm条宽红光LD(产品型号ML501P73,规格为500 mW)进行对比,见下表,性能见图5。

图 5(a)  0.5W 638nm芯片在T=25℃和40℃、连续电流下P-I曲线

图 5(b)  1W 638nm芯片在T=25℃和40℃、连续电流下P-I曲线

 

图 5(C)  2.5W 638nm芯片在T=20、脉冲电流下P-I曲线


best365与三菱红光芯片性能参数对比表(1.5 mm腔长, 40 µm条宽)

 

 

图5 best365与三菱红光芯片在25℃、CW下PI曲线对比(1.5 mm腔长,40µm条宽)

 

  从目前双方对比结果看,已经商业化的三菱500 mW红光LD的T0温度参数与best365批量制造的红光LD一致,波长也一致,不过best365网页版登录的红光LD在输出功率略胜一筹,可以说在核心指标方面已经达到世界领先地位。同时,best365开发的多发光点638 nm芯片,665 nm芯片在性能上也填补国内空白,并且达到世界前列。

 

4、趋势和展望

 

  近20年来,激光显示在我国经历了从原理可行、技术可行到产业可行的三个发展阶段。到2019年,激光显示上下游产业链企业超过100家,年产值超过150亿元。
  在目前的显示市场上,我国大陆地区液晶面板产量虽已位居全球前列,行业数据显示,仅仅在面板上游的材料产业,包括偏光片、玻璃基板、靶材、光掩膜版、光刻胶等产品,国产化率不超过20%。
  已形成产业优势的激光显示领域,国产化率目前在45%-55%的区间,发展空间巨大。核心器件和部件的国产化已经全面开展,预计3年内国产化比例将提升到75%-80%。
激光电视是中国电视史上自主研发程度极高的电视产品,在全球显示产业发展史上,这是中国企业一次漂亮的“变道超车”。长期来看,中国激光电视稳态出货量水平或在600万台上下,而如果考虑到激光电视对商用场景与全球市场的渗透,长期发展空间将更为广阔。由于具有更大的技术成长空间和明显的技术路线优势,激光电视吸引了多家巨头悄然进入。
  家电巨头海信从2007年起布局激光显示。截至2021年6月30日,其在激光显示领域已经申请了1439项国内外专利,授权575项,为激光显示的升级奠定了坚实的基础。
 
图6海信全色激光电视L9G获评2021年“激光超短焦产品之王”(最左侧为海信激光电视L9G,使用RGB三色激光光源,达到3000流明)来源:搜狐

 

  此外,长虹已完成全渠道、系列化激光显示产品布局。小米、百度、阿里纷纷直接或间接进入激光电视领域;光峰光电2019年上市,募集资金10亿元致力于激光显示开发;中科极光完成新一轮融资...更多的巨头正在跃跃欲试,潜心研发,希望能在这条新赛道上抢占先机。
  另外,今年激光显示在应用边界上又开始渗透到一个更为巨大的“细分领域”——智能微投市场,降维打击。从体量来看,2021年全年智能家用投影市场有望突破400万台,这将是投影产业高光的‘细分市场’。综合来看,激光投影/显示应用对红光激光芯片的要求一般为功率高、可靠性高、一致性好等,一般都采取一定的温控措施,芯片工作温度受控。
  除此之外,红光激光器在照明领域(舞台/景观/汽车(图7))、医美领域(光动力治疗PDT(图8)、生发植发等)均展现出很好的应用商机。其中,激光照明对638nm的要求是耐高温特性好,一般采取风冷方式,所以要求高温工作条件下的功率稳定度高,衰减少,这与投影应用要求有所不同。医美/生发的波长一般为650nm和665nm,区别显示应用的638nm波长。
 

 

图7 雷诺的Trezor概念车采用标志性的C形后部照明采用红色激光照明加光纤的方式,创造了一种有趣的视觉效果。来源:Motortrend

 

图8 科学家们利用光动力疗法(PDT),将药物与红色激光配合使用,对黑素瘤皮肤癌细胞形成致命的组合式打击。来源:美国国立癌症研究所(National CancerInstitute,NCI)

 

  在PDT(Photodynamic Therapy, PDT)手术中,医生也开始使用激光代替LED灯作为光源。激光和LED照明设备之间的主要区别在于,与LED设备相比,激光照射在皮肤更小、更集中的区域,并向该区域发出更强的光。使用激光的优点是它们可能需要更短的与光敏剂的孵育时间。

 

5、结论
  激光显示和照明市场蕴藏着庞大商机。国产大功率红光芯片,极大地拉近了中国与世界的差距,并且某些性能指标已经达到国际领先,为中国未来的激光显示、照明以及激光医疗市场的爆发增长提供了坚实的发展基础,除此之外,我们也了解到越来越多的企业计划进入该领域,为国产RGB芯片的发展壮大助力。我们也需要认识到,目前国内仍缺乏大功率RGB激光芯片封装的经验,例如TO封装、多芯片阵列封装等,部分关键原材料如热沉、管座等仍需要进口,这需要业界在未来做更多的努力和进步。

   

参考文献
[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.
[2] 郑凯. 大功率 650 nm波段AlGaInP/GaInP应变量子阱半导体激光器的研究[D]. 中国科学院半导体研究所, 2006
[3] 孟雪,宁永强,张建伟,等. 面向激光显示的红光半导体激光器的研究进展[J].激光与光电子学进展,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]科技简讯.索尼开发出红光激光器用作投影机光源[J].光机电信息,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激光二极管[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, 张新, 肖成峰,等. 高可靠性瓦级660 nm半导体激光器研制[J]. 中国激光, 2018, 45(5):5.
[12] Xia W , Zhu Z , Li X Y , et al. Improved Thermal Performance of 640 nm Laser Diode Packaged by SiC Submount[J]. Journal of Russian Laser Research, 2019, 40(2):193-196.


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