【正文】 1 引言GaN材料的研究與應用是目前全球半導體研究的前沿和熱點，是研制微電子器件、光電子器件的新型半導體材料，并與SiC、金剛石等半導體材料一起，被譽為是繼第一代Ge、Si半導體材料、第二代GaAs、InP化合物半導體材料之后的第三代半導體材料。GaN是極穩(wěn)定的化合物，又是堅硬的高熔點材料，熔點約為1700℃，GaN具有高的電離度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（）。在大氣壓力下，GaN晶體一般是六方纖鋅礦結構。它在一個元胞中有4個原子，原子體積大約為GaAs的一半。因為其硬度高，又是一種良好的涂層保護材料。在室溫下，GaN不溶于水、酸和堿，而在熱的堿溶液中以非常緩慢的速度溶解。NaOH、H2SO4和H3PO4能較快地腐蝕質量差的GaN，可用于這些質量不高的GaN晶體的缺陷檢測。GaN在HCL或H2氣下，在高溫下呈現(xiàn)不穩(wěn)定特性，而在N2氣下最為穩(wěn)定。但是GaN材料仍然存在一些問題。如在用異質外延（以藍寶石和SiC作為襯底）技術生長出的GaN單晶，還不太令人滿意（這有礙于GaN器件的發(fā)展），例如位錯密度達到了108~1010/cm2（雖然藍寶石和SiC與GaN的晶體結構相似，但仍然有比較大的晶格失配和熱失配）；未摻雜GaN的室溫背景載流子（電子）濃度高達1017cm3（可能與N空位、替位式Si、替位式O等有關），并呈現(xiàn)出n型導電；雖然容易實現(xiàn)n型摻雜（摻Si可得到電子濃度1015~1020/cm室溫遷移率＞300 cm2/ 的n型GaN），但p型摻雜水平太低（主要是摻Mg），所得空穴濃度只有1017~1018/cm3，遷移率＜10cm2/，%~1%。本文介紹的是藍寶石襯底上生長的氮化鎵基激光器的研制和發(fā)展概況以及近期研究熱點作扼要介紹。2 材料特性及器件應用 材料特性GaN是目前為止所有ⅢⅤ族氮化物中研究最多的材料，但與常用的Si和GaAs材料相比，對GaN的了解還是遠遠不夠的。過去較大的本底n型載流子濃度，缺乏合適的襯底材料，GaNp型摻雜的困難及加工困難使研究人員屢屢受挫。人們對GaN感興趣的一個主要原因是它作為藍光、紫光發(fā)射器件的應用潛力。正是由于這個原因，許多GaN的研究工作致力于測定GaN的光學特性。 。此后不久，Pankove報道了低溫GaN PL光譜。隨后，Dingle等人對高質量GaN進行了PL和陰極發(fā)光光譜測量，還有一些人進行了發(fā)射、反射和吸收測量。Kosicki等人報道了多晶GaN的光學吸收和真空反射率。通過光學泵浦在許多實驗中發(fā)現(xiàn)了GaN的受激發(fā)射。Dingle等人率先報道了GaN的激射情況。眾所周知，SiO2是半導體加工中常用的一種非常重要的介質材料，它還可用于GaN基激光二極管的制作。由于二氧化硅中氧對GaN光學質量的可能影響，目前有一種研究二氧化硅對GaN光學特性和電學特性影響的實際需求。研究發(fā)現(xiàn)，SiO2可引起GaN外延層PL性能的明顯退化。二次離子質譜(SIMS)測量結果表明，SiO2層中的氧可能是GaN PL強度下降的真正原因。另外還發(fā)現(xiàn)快速熱退火（RTP）可以恢復和提高PL性能。 器件進展在成功地開發(fā)出藍光和綠光LED之后，科研人員開始將研究重點轉移到電注入GaN基藍光LD的開發(fā)方面。1996年，Nichia公司首先實現(xiàn)了室溫條件下電注入GaN基藍光LD的脈沖工作，隨后又在年底實現(xiàn)了室溫下的連續(xù)波工作。Nichia公司的成功以及藍光LD的巨大市場潛力致使許多大公司和科研機構紛紛加入到開發(fā)Ⅲ族氮化物藍光LD的行列之中，其中Nichia公司的GaN藍光LD在世界上居領先地位，其GaN藍光LD室溫下2mw連續(xù)工作的壽命已突破10000小時。目前制作GaN基激光器常用藍寶石、SiC和GaN襯底。藍寶石用作GaN基LD的襯底時存在腔鏡制作和電極工藝方面的問題。SiC襯底可以滿足所有要求。現(xiàn)已成功地在SiC襯底上生長出了高質量的GaN基材料。SiC上生長的InGaN LD的室溫脈沖工作和連續(xù)波工作時有報道。P型和n型電極分別制作在芯片的頂部和底部的垂直導電結構InGaN LD也已有報道。1998年三星SAIT的研究人員演示了氮化物藍光激光器室溫下的脈沖工作。三星的激光器結構是在藍寶石襯底上生長的，但未用外延橫向過生長。有源區(qū)包括一個InGaN/GaNMQW,。利用CAIBE向下刻蝕到n型GaN層制作出了10umX800um的條帶。激光器端面是利用CAIBE或解理形成，端面表面未鍍膜。在1微秒脈寬、1KHz的工作電流條件下測量了激光器的特性。高于閾值電流時，觀察到了一種強烈且清晰的發(fā)射模式，中心波長為418nm。1998年Shiji Nakamura等人在藍寶石上橫向過生長的GaN上生長了InGaN多量子阱(MQW)結構激光二極管。InGaN MQW LD生長在去除藍寶石后得到的獨立GaN襯底上。在溫室連續(xù)波應用條件下，待解理鏡面的LD的輸出功率高達30mW。通過將脊波導減小到2um，觀察到了穩(wěn)定的基橫模。在50C環(huán)境溫度、CW應用條件下，5mW恒定輸出功率下的LD壽命約為160小時。富士通繼Nichia Cree Research和索尼等公司之后，宣布研制成了InGaN藍光激光器，該激光器可在溫室下CW應用。激光器結構是在SiC襯底上生長的，并且采用了垂直導電結構（p型和n型接觸分別制作在晶體片的頂面和背面）。這是首次報道的垂直器件結構的CW藍光激光器。晶體磨薄到大約100nm和形成接觸后，解理晶片形成500nm的長腔。條帶方向是[1100]，具有高反射率鍍膜的解理面為（1100）。激光器芯片p側朝上安裝在管芯上。在25C脈沖應用（300ns,1KHz）下，相當于506KA/cm2的閾值電流密度，這是SiC上InGaN激光器的最低值。在CW條件下。器件可在高達40C下工作。且前各大公司的GaN基藍光LD的研究水平見表1。表1 各大公司GaN基藍光LD的研究水平匯總1998年10月，Reiko Soejima等人曾報道了SiC上制作的垂直傳導結構的InGaN MQW LD在250K下的連續(xù)波工作。其閾值電流、閾值電壓和閾值電流密度分別為380mA、。這些結果表明SiC襯底上的InGaN激光器前途光明。Nichia公司的Shuji Nakamura最近還研制成功了大功率長壽命的InGaN MQW結構LD，在這種激光器中采用了調制摻雜應變層超晶格(MDSLS)和外延橫向過生長GaN（ELOG）襯底，見圖3.ALGaN/GaN調制摻雜應變層超晶格用作包層，替代了較厚的ALGaN層，其厚度在臨界范圍內，其目的是防止ALGaN用于減少GaN層中的線位錯的數(shù)目。在這種激光器中Shuji Nakamura采用了ELOG襯底，這是因為當利用拉寶石襯底時，難于得到用于常規(guī)LD腔的解理鏡面，并且藍寶石的熱導率（）也不如GaN（）高，不利于散掉LD產(chǎn)生的熱。利用自動功率控制器將每面功率控制為5mW的穩(wěn)定輸出功率，在溫室下對CW工作的LD進行了壽命測試。在工作100小時以后，隨著工作時間的增加，工作電流幾乎仍保持不變。在工作290小時以后LD仍能繼續(xù)正常工作。根據(jù)退化速度可以預計出LD的壽命。退化速度定義為dI/dt(mA/100h)，式中I為LD的工作電流，t是工作時間。利用這一退化速度得到工作電流增加到LD初始工作電流的2倍時的預計壽命，這種激光器的預計壽命大約為10000小時左右，這種LD在RT、CW下的典型LI和VI特性如圖4所示。另外Shuji Nakamura等人還在藍寶石襯底上的ELOG上生長了InGaN多量子阱結構LD，在RTCW工作條件下，這種具有理解鏡面的LD每面輸出功率高達420mW。在高達100mW的輸出功率下觀測到了基橫模。在50C的環(huán)境溫度和30mW的穩(wěn)定輸出功率下，LD的CW