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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
2、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
3、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， Ga
4、Np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
5、。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 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GaNPL 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
6、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的室
7、温脉冲工作和连续波工作时有报道。GaN基材料。 SiC 上生长的 InGaN LDP 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,ALK0.07Ga0.93 N 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
8、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 (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
9、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
10、为（ 1100）。激光器芯片 p 侧朝上安装在管芯上。在 25C 脉冲应用2（ 300ns,1KHz）下，阈值电流和阈值电压分别是 84mA和 12.0V，相当于 506KA/cm 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 250
11、K 下的连续波工作。其阈值电流、阈值电压和阈值电流密度2分别为 380mA、12.6V 和 12KA/cm。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，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 ELO
12、G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
13、 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
