【文章內(nèi)容簡介】 信息的光存儲密度。目前采用780nm的近紅外激光，單面CDROM的信息記錄量約為650MHz，而采用635nm或650nm的紅色激光，利用藍(lán)光LD可將單面DVDROM的信息記錄量提高到14GB，同時信息的尋道時間將縮短到20~40ms，而目前CDROM的尋道時間通常為100~150ms。GaN LD的迅速發(fā)展也將影響到未來的印刷業(yè)，未來打印機(jī)技術(shù)受速度、色彩、分辨率、電力消耗和多功能等多種要求的影響。藍(lán)光LD可以滿足未來打印機(jī)的要求。高輸出功率單模連續(xù)波GaN LD的較高功率可使打印速度提高及圖像性能改善。此外GaN基藍(lán)光LD還可應(yīng)用于顯示技術(shù)和光對潛通信等方面，其應(yīng)用廣泛，市場龐大，預(yù)計今后幾年GaN基LD的市場將會達(dá)到幾倍增長。GaN基LD的發(fā)展也必將帶動相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，可以說是未來經(jīng)濟(jì)新的增長點(diǎn)，因此世界許多公司都競相投入到GaN基LD的開發(fā)與研制活動中心，氮化物基LD的前景一片光明。3 藍(lán)寶石襯底分子束外延生長GaN薄膜的原位橢偏光譜分析目前，GaN半導(dǎo)體薄膜材料已成為研制高溫、高功率、高速短波長光電子器件和新型微電子器件的重要材料，并已取得重大進(jìn)展。但由于GaN外延層與藍(lán)寶石襯底之間的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)失配，致使在GaN單晶薄膜異質(zhì)外延中，產(chǎn)生大量的結(jié)構(gòu)缺陷。特別是在分子束外延（MBE）中，產(chǎn)生的線位錯密度高達(dá)108~1010cm2，引發(fā)多種表面結(jié)構(gòu)缺陷。GaN單晶薄膜中的線位錯缺陷形成的散射中心影響發(fā)光器件的性能；螺旋型線位錯在其中心可形成納米尺度的管道，這些納米級的空洞對接觸金屬、摻雜劑和其他雜質(zhì)形成擴(kuò)散通道，嚴(yán)重影響器件的電學(xué)性質(zhì)。因此，減少GaN單晶薄膜生長過程中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)缺陷成為亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。MBE是制備高質(zhì)量GaN薄膜的重要技術(shù)之一，特別是可原為監(jiān)控生長過程，制備的薄膜材料可廣泛應(yīng)用于各種光電探測器和微電子器件。近幾年來，通過選擇優(yōu)化MBE生長速度與溫度，特別是在成功利用射頻（RF）等離子體源和電子回旋共振（ECR）微波等離子體源輔助技術(shù)之后，制備的GaN薄膜質(zhì)量大幅提高，但樣品的表面平整度遠(yuǎn)不及金屬有機(jī)物氣相外延（MOVPE）技術(shù)生長的GaN薄膜。理論分析認(rèn)為，MBE生長GaN過程中產(chǎn)生的較高的位錯密度是丘狀螺旋生長的起源，而Ga原子的擴(kuò)散長度較短導(dǎo)致表面擴(kuò)散受限，可能是較高的位錯密度產(chǎn)生的主要原因。采用襯底偏晶向法形成單原子高度臺階的鄰晶面，使薄膜生長實現(xiàn)臺階流動（SF）模式，可抑制螺旋位錯的出現(xiàn)得到平滑表面的薄膜。本文通過對比分析藍(lán)寶石常規(guī)和鄰晶面襯底MBE生長GaN薄膜中的線原位橢偏(SE)光譜，研究探討了外延層中應(yīng)變能釋放過程和位錯缺陷生成機(jī)制。 橢偏光譜基本原理電磁波在介質(zhì)中傳播時，相對介電常數(shù)代表介質(zhì)中分子的極化效應(yīng)。對于離子鍵成分占39%的GaN半導(dǎo)體材料，GaN分子在極化過程中總是存在損耗。電磁波在GaN材料中傳播時，交變電場的作用使GaN中正負(fù)離子相對于平衡位置發(fā)生位移，部分電場能量轉(zhuǎn)化為GaN晶體晶格振動能量。這種極化過程存在的能量損耗通常用相對復(fù)介電常數(shù)來描述，此時相對介電常數(shù)εr為虛數(shù)，可假定εr=ε1 +iε2 ,材料的基本化學(xué)常數(shù)折射率n和消光系數(shù)K以及相對介電常數(shù)的實部ε1 和虛部ε2 都是入射光波長的函數(shù)，折射率和小光系數(shù)與復(fù)介電常數(shù)的函數(shù)關(guān)系式為光經(jīng)過兩種兩種介質(zhì)界面時的反射和透射光強(qiáng)與材料的光學(xué)常數(shù)相聯(lián)系。就反射光譜而言，只要不是在正入射情況下測量，垂直于入射面偏振的電矢量和平行于入射面偏振的電矢量其振幅反射系數(shù)不同，具體可描述為由此可見，對斜入射的偏振光，經(jīng)介質(zhì)表面反射后其電矢量振幅和相位都會改變。對于橢圓偏振光其反射光的振幅反射系數(shù)之比為（5）式中tanψ為入射面內(nèi)偏振的電矢量與垂直于入射面內(nèi)偏振的電矢量的相對振幅衰減，△為反射引起的兩個電矢量間的相位差。有（3）~（5）式計算可得由（6）式和（7）式可知，在某一波長的入射光實驗條件下，測出ψ，△和入射角θ就可以求出該波長下材料的折射率和消光系數(shù)。再由（1）式，（2）式即可得出被測樣品在相應(yīng)波長的介電常數(shù)的實部ε1 和虛部ε2 。 GaN薄膜的外延生長和原位SE光譜分析利用EIKO RFMBE系統(tǒng)配備的橢偏光譜儀測量基于GaN薄膜生長過程中在線原位SE數(shù)據(jù)。在有效界面近似條件下，通過選用適當(dāng)模型采用FastDyn數(shù)據(jù)處理運(yùn)算程序進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，獲得了MBE生長GaN薄膜的基本光學(xué)常數(shù)譜?；谒{(lán)寶石常規(guī)和鄰晶面襯底MBE生長GaN薄膜原位橢偏光譜實驗數(shù)據(jù)，用色散基本理論，分析外延層中應(yīng)變能釋放過程。圖1為常規(guī)藍(lán)寶石襯底生長1號樣品生長過程原位SEε1圖譜，圖2為鄰晶面藍(lán)寶石襯底生長過程原位SEε1圖譜。原位SEε1圖譜顯示的是所生長樣品復(fù)介電函數(shù)的實部ε1隨生長時間的進(jìn)化過程，從藍(lán)寶石襯底氮化開始，ε1逐漸上升，見圖中標(biāo)識A。大約生長幾個單原子層后達(dá)到峰值，然后ε1開始下降，表明GaN緩沖層以層狀和島狀混合模式即SK模式開始生長。氮化物薄膜與藍(lán)寶石襯底的晶格常數(shù)失配，在外延緩沖層中積累應(yīng)變能。當(dāng)應(yīng)變能釋放時，在沉積物與界面處的高能量激發(fā)島形成。ε1的下降標(biāo)志著外延GaN緩沖層在氮化的藍(lán)寶石襯底上出現(xiàn)第一次應(yīng)變能釋放過程。在這個SK模式生長階段，所形成的島尺度約幾十個納米；此時SE光譜的變化與緩沖層的厚度及粗糙度相關(guān)，較長的探測光波長達(dá)到峰值較晚。如圖中700nm和450nm的探測光ε1 出現(xiàn)峰值比370nm的探測光的峰值滯后。隨著緩沖層的厚度增加和遷移增強(qiáng)外延（MEE）技術(shù)的應(yīng)用緩沖層表面趨于光滑，SE譜急劇上升直到出現(xiàn)峰值，見圖中B處；然后趨于平緩下降，緩沖層生長結(jié)束。在緩沖層升溫至750℃附近，ε1急劇下降，如圖中C處，這表明外延層出現(xiàn)第二次應(yīng)變能釋放過程。隨后700nm，450nm和370nm的3種探測波長的SE光譜中ε1急劇上升表明GaN外延層厚度的增加導(dǎo)致干涉效應(yīng)波長為700nm和450nm的探測光隨時間出現(xiàn)周期性振蕩。而370nm波長探測光由于GaN外延層的帶邊吸收，使得370nm波長的探測光在生長約60min后，外延層厚度生長到約350nm時趨于平緩。對比分析兩種襯底生長GaN薄膜的原位SE光譜的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)兩種襯底在氮化和緩沖層生長時都出現(xiàn)應(yīng)變能釋放弛豫過程；但兩種襯底的兩次應(yīng)變能釋放過程顯著不同，尤其是第二次應(yīng)變能釋放時。常規(guī)藍(lán)寶石襯底在緩沖層升溫時不僅370nm探測光的ε1譜線未出現(xiàn)而且700nm，450nm探測波長的ε1譜線同步對應(yīng)下降，其下降斜率遠(yuǎn)小于鄰晶面襯底相應(yīng)過程ε1譜線下降的斜率，見圖中標(biāo)示C處。這可能就是常規(guī)藍(lán)寶石襯底MBE外延生長GaN薄膜出現(xiàn)較高位錯密度的機(jī)制。應(yīng)變能釋放不完全，使線位錯缺陷彎曲，應(yīng)變能的積累，出現(xiàn)島狀生長。結(jié)果導(dǎo)致外延層形成丘狀螺旋結(jié)構(gòu)，引起表面粗糙。這一推測可以從隨后的外延層生長過程的SE圖譜得到證實。由圖中ε1譜可見，從標(biāo)示D開始鄰晶面襯底外延層生長出現(xiàn)均勻光滑的因厚度變化引起的干涉峰谷譜線。而常規(guī)襯底的700nm，450nm干涉峰谷明顯不對稱和不均勻，薄膜的光學(xué)質(zhì)量較差。通過原位真實時間SE圖譜分析發(fā)現(xiàn)，在GaN薄膜外延生長過程中，出現(xiàn)兩次應(yīng)變能釋放的過程。第一次出現(xiàn)在緩沖層生長過程中，第二次出現(xiàn)在緩沖層升溫過程中。由于GaN與藍(lán)寶石襯底的晶格失配，自組織的微晶結(jié)構(gòu)通過傾斜或旋轉(zhuǎn)變向釋放應(yīng)變能量。在緩沖層的生長過程中，這些不同方向的微晶結(jié)合導(dǎo)致出現(xiàn)位錯。在緩沖層升溫過程中，表面原子遷移和蒸發(fā)使線位錯缺陷彎曲或消失，出現(xiàn)第二次應(yīng)變能釋放過程，這一過程對于減少線位錯至關(guān)重要。比較兩種襯底上生長GaN薄膜的SE圖譜，可以認(rèn)為常規(guī)藍(lán)寶石襯底MBE外延生長GaN薄膜中較高的螺旋位錯密度是在緩沖層應(yīng)變能釋放過程中產(chǎn)生的。采用鄰晶面襯底可實現(xiàn)臺階流動模式SK生長GaN薄膜，從