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1、1 引言GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点，是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，并与SiC、金刚石等半导体材料一起，被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。GaN是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为1700，GaN具有高的电离度，在族化合物中是最高的（0.5或0.43）。在大气压力下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。它在一个元胞中有4个原子，原子体积大约为GaAs的一半。因为其硬度高，又是一种良好的涂层保护材料。在室温下，GaN不溶于水、酸和碱，而在热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶解。NaOH、
2、H2SO4和H3PO4能较快地腐蚀质量差的GaN，可用于这些质量不高的GaN晶体的缺陷检测。GaN在HCL或H2气下，在高温下呈现不稳定特性，而在N2气下最为稳定。但是GaN材料仍然存在一些问题。如在用异质外延（以蓝宝石和SiC作为衬底）技术生长出的GaN单晶，还不太令人满意（这有碍于GaN器件的发展），例如位错密度达到了1081010/cm2（虽然蓝宝石和SiC与GaN的晶体结构相似，但仍然有比较大的晶格失配和热失配）；未掺杂GaN的室温背景载流子（电子）浓度高达1017cm-3（可能与N空位、替位式Si、替位式O等有关），并呈现出n型导电；虽然容易实现n型掺杂（掺Si可得到电子浓度1015
3、1020/cm3、室温迁移率300 cm2/ V.s 的n型GaN），但p型掺杂水平太低（主要是掺Mg），所得空穴浓度只有10171018/cm3，迁移率10cm2/V.s，掺杂效率只有0.1%1%。本文介绍的是蓝宝石衬底上生长的氮化镓基激光器的研制和发展概况以及近期研究热点作扼要介绍。2 材料特性及器件应用2.1 材料特性GaN是目前为止所有-族氮化物中研究最多的材料，但与常用的Si和GaAs材料相比，对GaN的了解还是远远不够的。过去较大的本底n型载流子浓度，缺乏合适的衬底材料，GaNp型掺杂的困难及加工困难使研究人员屡屡受挫。人们对GaN感兴趣的一个主要原因是它作为蓝光、紫光发射器件的应
4、用潜力。正是由于这个原因，许多GaN的研究工作致力于测定GaN的光学特性。 Muraska和Tietjian首先精确测出了GaN的直接带隙为3.39eV。此后不久，Pankove报道了低温GaN PL光谱。随后，Dingle等人对高质量GaN进行了PL和阴极发光光谱测量，还有一些人进行了发射、反射和吸收测量。Kosicki等人报道了多晶GaN的光学吸收和真空反射率。通过光学泵浦在许多实验中发现了GaN的受激发射。Dingle等人率先报道了GaN的激射情况。众所周知，SiO2是半导体加工中常用的一种非常重要的介质材料，它还可用于GaN基激光二极管的制作。由于二氧化硅中氧对GaN光学质量的可能影响
5、，目前有一种研究二氧化硅对GaN光学特性和电学特性影响的实际需求。最近X.C.Wang等人报道了对这一问题研究的初步结果。研究发现，SiO2可引起GaN外延层PL性能的明显退化。二次离子质谱(SIMS)测量结果表明，SiO2层中的氧可能是GaN PL强度下降的真正原因。另外还发现快速热退火（RTP）可以恢复和提高PL性能。2.2 器件进展在成功地开发出蓝光和绿光LED之后，科研人员开始将研究重点转移到电注入GaN基蓝光LD的开发方面。1996年，Nichia公司首先实现了室温条件下电注入GaN基蓝光LD的脉冲工作，随后又在年底实现了室温下的连续波工作。Nichia公司的成功以及蓝光LD的巨大市
6、场潜力致使许多大公司和科研机构纷纷加入到开发族氮化物蓝光LD的行列之中，其中Nichia公司的GaN蓝光LD在世界上居领先地位，其GaN蓝光LD室温下2mw连续工作的寿命已突破10000小时。目前制作GaN基激光器常用蓝宝石、SiC和GaN衬底。蓝宝石用作GaN基LD的衬底时存在腔镜制作和电极工艺方面的问题。SiC衬底可以满足所有要求。现已成功地在SiC衬底上生长出了高质量的GaN基材料。SiC上生长的InGaN LD的室温脉冲工作和连续波工作时有报道。P型和n型电极分别制作在芯片的顶部和底部的垂直导电结构InGaN LD也已有报道。1998年三星SAIT的研究人员演示了氮化物蓝光激光器室温下
7、的脉冲工作。三星的激光器结构是在蓝宝石衬底上生长的，但未用外延横向过生长。有源区包括一个InGaN/GaNMQW,ALK0.07Ga0.93N用作包层。利用CAIBE向下刻蚀到n型GaN层制作出了10umX800um的条带。激光器端面是利用CAIBE或解理形成，端面表面未镀膜。在1微秒脉宽、1KHz的工作电流条件下测量了激光器的特性。在16.5V的工作电压下测得的阈值电流为1.6A，对应于20.3KA/cm2的阈值电流密度。高于阈值电流时，观察到了一种强烈且清晰的发射模式，中心波长为418nm。1998年Shiji Nakamura等人在蓝宝石上横向过生长的GaN上生长了InGaN多量子阱(M
8、QW)结构激光二极管。在InGaN阱层为2时得到了1.2和2.8KA/cm2的最低阈值电流密度。InGaN MQW LD生长在去除蓝宝石后得到的独立GaN衬底上。在温室连续波应用条件下，待解理镜面的LD的输出功率高达30mW。通过将脊波导减小到2um，观察到了稳定的基横模。在50C环境温度、CW应用条件下，5mW恒定输出功率下的LD寿命约为160小时。富士通继Nichia Cree Research和索尼等公司之后，宣布研制成了InGaN蓝光激光器，该激光器可在温室下CW应用。激光器结构是在SiC衬底上生长的，并且采用了垂直导电结构（p型和n型接触分别制作在晶体片的顶面和背面）。这是首次报道的
9、垂直器件结构的CW蓝光激光器，激光器机构见图2.富士通研制的激光器是利用LP-MOVPE在6H-SiC衬底上生长的。晶体磨薄到大约100nm和形成接触后，解理晶片形成500nm的长腔。条带方向是1100，具有高反射率镀膜的解理面为（1100）。激光器芯片p侧朝上安装在管芯上。在25C脉冲应用（300ns,1KHz）下，阈值电流和阈值电压分别是84mA和12.0V，相当于506KA/cm2的阈值电流密度，这是SiC上InGaN激光器的最低值。在CW条件下，阈值电流和阈值电压分别为115mA和10.5V。峰值波长为408.2nm。器件可在高达40C下工作。且前各大公司的GaN基蓝光LD的研究水平见
10、表1。表1 各大公司GaN基蓝光LD的研究水平汇总1998年10月，Reiko Soejima等人曾报道了SiC上制作的垂直传导结构的InGaN MQW LD在250K下的连续波工作。其阈值电流、阈值电压和阈值电流密度分别为380mA、12.6V和12KA/cm2。这些结果表明SiC衬底上的InGaN激光器前途光明。Nichia公司的Shuji Nakamura最近还研制成功了大功率长寿命的InGaN MQW结构LD，在这种激光器中采用了调制掺杂应变层超晶格(MD-SLS)和外延横向过生长GaN（EL-OG）衬底，见图3.ALGaN/GaN调制掺杂应变层超晶格用作包层，替代了较厚的ALGaN层
11、，其厚度在临界范围内，其目的是防止ALGaN用于减少GaN层中的线位错的数目。在这种激光器中Shuji Nakamura采用了ELOG衬底，这是因为当利用拉宝石衬底时，难于得到用于常规LD腔的解理镜面，并且蓝宝石的热导率（0.5W/cn.K）也不如GaN（1.3W/cm.K）高，不利于散掉LD产生的热。利用自动功率控制器将每面功率控制为5mW的稳定输出功率，在温室下对CW工作的LD进行了寿命测试。在工作100小时以后，随着工作时间的增加，工作电流几乎仍保持不变。在工作290小时以后LD仍能继续正常工作。根据退化速度可以预计出LD的寿命。退化速度定义为dI/dt(mA/100h)，式中I为LD的
12、工作电流，t是工作时间。利用这一退化速度得到工作电流增加到LD初始工作电流的2倍时的预计寿命，这种激光器的预计寿命大约为10000小时左右，这种LD在RT、CW下的典型L-I和V-I特性如图4所示。另外Shuji Nakamura等人还在蓝宝石衬底上的ELOG上生长了InGaN多量子阱结构LD，在RT-CW工作条件下，这种具有理解镜面的LD每面输出功率高达420mW。在高达100mW的输出功率下观测到了基横模。在50C的环境温度和30mW的稳定输出功率下，LD的CW工作寿命大于160小时。温度变化引起的波长漂移预计为0.06nm/K，远远小于ALInGaP LD的0.3nm/K的波长漂移值。这
13、些长寿命、大功率、高可靠激光器的实现为GaN基激光器的商品化铺平了道路。2.3 关键技术目前-族氮化物激光二极管的主要问题包括；p型掺杂，减小位错密度，合适的激发结构，解理面、反射镜的制备，新工艺，欧姆接触，衬底和外延生长。只有解决了上述问题之后才有可能真正实现长寿命、高可靠的器件。现仅就材料生长、衬底选择、欧姆接触和干法刻蚀做一简单介绍。2.3.1 材料生长高质量的GaN材料是研究开发族氮化物发光器件和电子器件以及保证器件性能和可靠性的前提条件。目前GaN的异质外延生长主要采用MOVPE、MBE和HVPE等外延技术。HVPE以GaCl3为Ga源，NH3为N源，可以在1000C左右在蓝宝石衬底
14、上快速生长质量较好的GaN材料。其缺点是很难精确控制膜的厚度。HVPE主要用于改进MOVPE生长的LED结构以提高光效率，或改进MBE生长的LD结构，使其具有较低的串连电阻和较好的解理。MBE技术直接以Ga或Al的分子束作为族源，以NH3作N源，在衬底表面生成族氮化物。采用MBE生长GaN及异质结构材料的优点一是低温生长，一般在700C左右，从而避免了扩散问题；二是生长后无需进行热处理。为了进一步提高晶体质量，正在研究以等离子体辅助增强技术激发N2,替代NH3 做N源。MBE生长族氮化物的速度较慢，可以精确控制膜厚，但对于外延层较厚的器件如LED和LD来说，生长时间过长，不能满足大规模生产的要
15、求。MOVPE技术以族金属有机物为族源，以NH3 为N源，在高温下进行族氮化物的生长，MOVPE的生长速率适中，可以精确控制膜厚，特别适合于LED和LD的大规模生产。MOVPE技术是目前使用最多，材料和器件质量最高的生长方法。2.3.2 衬底的选择影响GaN研究的主要困难之一就是缺乏于GaN晶格匹配且热兼容的合适的衬底材料。尽管人们已经认识到缺乏本体衬底是氮化物研究的主要障碍，然而因为本体生长被认为是劳而无功的事情，所以从事这方面研究的人员很少。该领域的工作人员主要研究的是在许多不同衬底上的异质外延生长。衬底的种类和质量对外延影响很大。在选择衬底时通常要考虑如下因素：尽量采用同一系统的材料作为
16、衬底；失配度越小越好；材料的热膨胀系数相近；用于光电器件中最好寻求低阻衬底；用于微波器件中最好选取良好微波介质性质的半绝缘材料；用于激光器时，要易于解理以形成腔面。此外还要考虑到材料的尺寸和价格等问题。尽管许多材料可以或有望于GaN异质外延生长，但目前主要采用的衬底材料只有SiC和蓝宝石。蓝宝石衬底是目前使用最为普遍的一种衬底材料。它具有与纤锌矿族氮化物相同的六方对称性，也是微电子研究中经常使用的衬底材料。其制备工艺成熟、价格较低、易于清理和处理，而且在高温下具有很好的稳定性，可以大尺寸稳定生长。但蓝宝石衬底本身不导电，不能制作电极，其解理较为困难，晶格常数与GaN相差15%，而且同GaN材料的热膨胀系数也存在较大的差异。目前以蓝宝石为衬底的GaN/GaInN蓝绿光LED已经实现商品化，蓝光LD也已经实现室温条件下的连续波工作。SiC是另一类非常重要的衬底材料，同蓝宝石相比，S
