GaN基材料半导体激光器的发展动态.doc

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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Ⅲ—Ⅴ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

2、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108~1010/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

3、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1015~1020/cm3、室温迁移率＞300cm2/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1017~1018/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Ⅲ-Ⅴ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

4、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GaNPL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

5、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

6、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Ⅲ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

7、GaN基材料。SiC上生长的InGaNLD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InGaNLD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,ALK0.07Ga0.93N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16.5

8、V的工作电压下测得的阈值电流为1.6A，对应于20.