发展战略 GN基材料半导体激光器的发展动态

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1、发展战略 GN 基材料半导体激光器 的发展动态 发展战略 GN 基材料半导体激光器 的发展动态 1 引言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

2、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、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

3、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 10151020/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

4、2 材料特性及器件应用 2.1 材料特性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

5、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，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 Ga

6、N 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

7、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

8、氮化物蓝光激光器室温下的脉冲工作。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

9、Nakamura 等人在蓝宝石上横向过生长的 GaN 上生长了 InGaN 多 量子阱(MQW)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

10、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

11、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

12、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，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

13、.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

14、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

15、铺平了道路。 2.3 关键技术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

16、石衬 底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Ga