【正文】 以定性地反映GaN樣品結(jié)晶性能的好壞。相對于樣品B，樣品A具有較大的調(diào)制深度，這也表明樣品A具有更優(yōu)的光學(xué)質(zhì)量。由于藍寶石襯底比GaN薄膜厚得多，因此，藍寶石兩界面反射獲得的透射光由于光程的成倍增加而變得非常微弱，可以忽略；同時，GaN薄膜中多次反射（兩次以上）產(chǎn)生的透射光在整個透射光中所占的比例非常低，也可以忽略，所以，透射譜曲線的干涉條紋主要是直接透射光和GaN薄膜中兩次反射后的透射光兩種分量。根據(jù)直接透射光和經(jīng)過兩次反射后的透射光發(fā)生干涉的條件，則透射譜曲線干涉條紋上相鄰峰值和谷值對應(yīng)的光子波長和，由式（）決定。 式（）式中，為空氣折射率，為GaN折射率，為GaN層厚度，為入射角，通常的透射譜測量時，k為干涉條紋波峰或波谷所對應(yīng)的波數(shù)，則由式（）可以得到薄膜厚度的計算公式 式（）根據(jù)式（），利用橢偏光譜得到的折射率，由透射光譜400800nm波段每一對相鄰波峰和波谷對應(yīng)的光子波長分別計算GaN薄膜厚度，然后對其求平均值，，與橢偏光譜得到的結(jié)果幾乎一致。從圖中可以看出，樣品A的近帶邊發(fā)射峰強度比樣品B的高；，；樣品B可看出明顯的黃光帶，而樣品A的黃帶發(fā)射幾乎可以忽略。雖然黃帶的起源仍在爭論之中，但有一點公認的是黃帶起源于晶體的缺陷結(jié)構(gòu)。這進一步說明，相對于樣品B，樣品A具有更優(yōu)的晶體質(zhì)量。由于GaN薄膜光致發(fā)光譜的近帶邊發(fā)射峰強度可以反映其光學(xué)質(zhì)量，表明樣品A具有更優(yōu)的光學(xué)質(zhì)量。 GaN 薄膜室溫光致發(fā)光譜由于樣品A，B的外延生長條件完全相同，只是樣品A外延生的藍寶石襯底經(jīng)過表面處理。從上述測試結(jié)果表明：樣品A的光學(xué)質(zhì)量和結(jié)晶質(zhì)量均優(yōu)于樣品B，分析認為，這是因為對藍寶石進行化學(xué)腐蝕，在缺陷中的位置形成一定的腐蝕坑，在其它位置。腐蝕速度也是各向異性的。只是差異較小而已。這樣就會形成一些微臺階。這樣在隨后的外延生長過程中有助于形核（這也可以說明樣品A的薄膜厚度要稍大于樣品B的），即在沉積低溫GaN薄膜時，首先在沒有腐蝕坑的位置形核，形成一定的籽晶，然后再沉積高溫GaN薄膜，通過增大V/Ⅲ比，使其橫向生長速度大于縱向生長速度，發(fā)生橫向生長。當(dāng)橫向生長達到一定程度后，便會使兩翼在腐蝕坑處聚合，得到全覆蓋的GaN外延層。由于在隨后的橫向外延生長過程中，其部分線位錯彎曲90176。，使其不能到達薄膜表面，這樣可以大大降低位錯密度；而且腐蝕坑的中空結(jié)構(gòu)可以釋放應(yīng)力，提高外延層的質(zhì)量。通過橢圓偏振光譜擬合得到GaN薄膜的厚度的可見近紅外區(qū)域的折射率色散關(guān)系；利用GaN薄膜光學(xué)透射譜，結(jié)合橢偏測量得到的折射率公式，計算得到的GaN薄膜的厚度，與橢偏光譜結(jié)果幾乎一致；在經(jīng)過表面處理的藍寶石襯底上外延生長的GaN薄膜具有較高的透射率和較大的調(diào)制深度，與X射線雙晶衍射測量的結(jié)果一致，即透射率越大，半峰全寬越小，結(jié)晶質(zhì)量越好；伴隨著晶體質(zhì)量的提高，光學(xué)性質(zhì)也發(fā)生了顯著變化；光致發(fā)光譜的近帶邊發(fā)射峰強度顯著提高，而且從有明顯的黃光帶降低到幾乎可以忽略?？傊?，從X射線雙晶衍射，橢圓偏振光譜，光透射譜以及室溫光致發(fā)光譜測試結(jié)果表明：在經(jīng)過表面處理的藍寶石襯底上外延生長的GaN薄膜表現(xiàn)出更優(yōu)異的光學(xué)質(zhì)量和結(jié)晶質(zhì)量。4. 3壓強對氮化鎵材料的影響4. 在幾何優(yōu)化的基礎(chǔ)上,得到了不同壓強下GaN的能帶結(jié)構(gòu),如圖1所示。其能帶間隙隨壓強的變化如圖2所示?！　膱D1可以看出,隨著壓強的增加,能帶逐漸升高。并且在低壓區(qū)域,帶隙的能量變化是很大的。在高壓強區(qū),帶隙的能量變化較小。在0~500 GPa范圍內(nèi),壓強的增加對GaN晶體帶隙變化的影響逐漸減小。從圖2可以看出,隨著壓強的增加,GaN的直接帶隙和間接帶隙都逐漸增大,且直接帶隙變化的幅度比間接帶隙的幅度大。當(dāng)無壓強時, eV, eV。在壓強約為125 GPa時,直接帶隙與間接帶隙相等,177。隨著壓強的繼續(xù)增大,GaN由直接帶隙半導(dǎo)體轉(zhuǎn)化為間接帶隙半導(dǎo)體,說明125GPa是GaN從直接帶隙半導(dǎo)體轉(zhuǎn)化為間接帶隙半導(dǎo)體的臨界點。在0~500 GPa范圍內(nèi)GaN的態(tài)密度隨壓強的變化如圖3所示。從圖3可以得到,在沒有壓強時,價帶為0到25 eV間隔內(nèi),GaN的態(tài)密度出現(xiàn)了4個峰, eV處出現(xiàn)一個很尖銳的峰, 42 electrons/eV。當(dāng)壓強增加到50 GPa時, 7 eV處, 7 electrons/eV。隨著壓強的繼續(xù)增大,每個峰向左移動,且峰值降低了?！　膱D4可以看出,隨著壓強的增大,吸收波段出現(xiàn)了藍移,在無壓強時, 5 nm,為376 。當(dāng)壓強為50 GPa時, 37 nm處,其值為429 。隨著壓強的不斷增大,吸收光譜強度的最大值向左移動,且變大。在沖擊波測溫實驗時,選取的測量波長范圍一般為250~800 nm[26],從吸收光譜來看,在這個波段上有吸收,且吸收越來越少,說明隨著壓強的增大,GaN的透明度增大。因為晶格振動引起的吸收一般是在10 000~100 000 nm之間,對吸收譜的范圍在0~1 000 nm間,晶格振動引起的吸收對GaN的吸收譜無影響,故本文不予考慮。另外,從圖5來看,隨著壓強的增大,反射率逐漸減小,這正好與吸收譜相對應(yīng)。由對不同壓強下氮化鎵的探討,得出以下結(jié)論:隨著壓強的增加,能帶逐漸升高。GaN的直接帶隙和間接帶隙都逐漸增大,但直接帶隙變化比間接帶隙要快。壓強125 GPa是GaN從直接帶隙半導(dǎo)體轉(zhuǎn)化為間接帶隙半導(dǎo)體的臨界點。吸收波段出現(xiàn)了藍移。吸收光譜強度的最大值向左移動,且逐漸變大。反射率逐漸減小。GaN的透明度增大。 GaN表面粗糙度及光學(xué)參數(shù)由于材料生長技術(shù)的限制導(dǎo)致GaN表面不是很光滑。而表面粗糙度不僅影響材料的性能，也對GaN薄膜光學(xué)參數(shù)的定量分析有影響，對其進行研究是必要的。因 GaN 在 可見光長波區(qū)域的吸收系數(shù)非常小，故將樣品看成三層透明膜系統(tǒng)：空氣（0）表面粗糙膜（1）GaN摻Mg膜（2）GaN緩沖層（3）A1203襯底（4）。其厚度分別為d1，d2，d3 ，折射率分別為n1，n2，n3。設(shè)每層膜的光學(xué)性質(zhì)是均勻的，只在兩層膜之間的界面處有折射率的突變。設(shè)和分別為向前和向后行進的單色平面波電場強度的復(fù)振幅，當(dāng)光波由空氣（0）經(jīng)過一系列的界面和膜層傳播到襯底（4）時（襯底中），則 式（）式中散射矩陣為 式（）偏振光P和S的總反射系數(shù) 式（）故三層膜系統(tǒng)的橢偏方程如下： 式（） 式中和 表示為 式（）式中式（） 其中和是費涅耳透射系數(shù)和反射系數(shù)：為膜層厚度，為膜層復(fù)折射率，為入射波長，為光波在膜層中傳播方向與膜層界面面法線間的夾角。值得注意的是，表面粗糙膜可看成由GaN：Mg和空氣組成，設(shè)其中GaN：Mg所占比例為的函數(shù)。根據(jù)有效介質(zhì)近似理論： 式（）簡化 （）式得： 式（）其中 式（）利用專業(yè)儀器，用HeNe激光波長，對樣品入射得出數(shù)據(jù)。，五個樣品的各層折射率，厚度及表面粗糙層中GaN：Mg所占比例為五個Mg摻雜GaN樣品的結(jié)果：（1）樣品的表面粗糙度各樣品的在數(shù)值上接近于表面粗糙度。，樣品C的最大而小，說明它的表面粗糙度較大。，最大（表面致密，缺陷較?。?，表明它的表面生長的質(zhì)量好。此外樣品D的表面粗糙層也比較薄，較大說明它的表面也很光滑。樣品B的表面也較光滑；而E的表面較差。（2）摻雜對折射率的影響與本征樣品的折射率比較，重摻雜的兩個樣品A和B的GaN：Mg膜的折射率，隨著Mg組分的增加稍有提高。緩沖層的折射率接近于本征樣品的數(shù)值，這說明緩沖層的生長狀況較好，結(jié)晶質(zhì)量較高。對輕摻雜的三個樣品C，D和E來說，由于C的表面粗糙，結(jié)構(gòu)為多晶，故其GaN：Mg膜的折射率與A，B相差較大，和都小于它們，緩沖層的折射率卻比本征GaN的大得多。樣品D的結(jié)晶狀況膜的值，這說明輕度摻雜對材料的折射率影響不大。樣品E的和都比較大，結(jié)合其表面狀況，可認為該樣品的生長狀況不理想。從以上分析得出：結(jié)晶較好的三個樣品A，B和D的GaN：Mg膜的折射率隨摻雜濃度變化，而生長狀況較差的樣品的折射率變化無規(guī)律可言。 摻雜及退火對GaN薄膜光學(xué)常數(shù)的影響通過專業(yè)儀器，結(jié)合三層膜模型得到各樣品退火前和退火后的光學(xué)參數(shù)。A，B，C，D，E是退火前；A’，B’，C’，D’，E’是退火后；，不論退火還是退火后，樣品折射率屬正常色散，總的來看，退火后各樣品的折射率的平均值要大于退火前的。退火前，樣品的折射率與波長基本線性關(guān)系，退火后樣品A要帶隙（）以下色散關(guān)系遵守Cauchy規(guī)律。 式（）式中波長的單位是微米。對樣品A來說。生長狀況較好的A和D退火前后折射率變化不大，而B，C和E的變化大些。結(jié)果表明退火后樣品中的Mg分布比退火后均勻了，而且這種現(xiàn)象在B，C和E中更明顯，這也許是導(dǎo)致退火前后折射率變化的主要原因。另外，退火后B和C在400nm附近折射率出現(xiàn)了峰值，E在450nm左右有一峰值，這可能對應(yīng)著電子從帶隙內(nèi)雜質(zhì)態(tài)到導(dǎo)帶之間的躍遷。樣品A和B的峰值在退火后向短波方向轉(zhuǎn)移。A，B，C，D，E是退火前的樣品；A’，B’，C’，D’，E’是退火后的樣品，所有樣品的消光系數(shù)都比較?。ǎf明GaN：Mg膜在可見光區(qū)近乎透明。此外退火后大部分樣品的消光系數(shù)比退火前有所增加，但增幅較小。這表明退火后樣品在可見光范圍內(nèi)吸收略有增強。A的k在所有樣品中最大，退火后變小，樣品B的消光系數(shù)只有102量級 ，產(chǎn)生這兩種現(xiàn)象的原因還有待于進一步研究。重摻雜A和B的消光系數(shù)對應(yīng)的峰值退火后向短波方向轉(zhuǎn)移，這和兩種樣品折射率的情況相似。B和E退火后在長波方向的吸收增強，這可能預(yù)示著退火使這兩種樣品中某種雜質(zhì)被激活，從而出現(xiàn)與此有關(guān)的躍遷機制。除樣品A退火后的峰值對應(yīng)的波長為450nm左右，樣品D在410nm附近迅速上升以外，其它樣品的峰值位于410nm左右，這可能對應(yīng)樣品中鎂受主能級和VNMg能級之間的躍遷?？傊嘶鹗箻悠返恼凵渎始跋庀禂?shù)有所提高；摻雜對樣品光學(xué)常數(shù)的影響不太大。（1）五個樣品的表面情況差別很大，其中三個樣品A，B，D的表面較光滑而且致密，，兩個樣品C和E表面缺陷較多，粗糙度分別為63nm和61nm。（2）退火前后。總的來看，退火后各樣品的折射率的平均值要天于退火前的。退火后B和C在400nm附近折射率出現(xiàn)了峰值，E在450nm左右有一峰值，這可能對應(yīng)著電子人帶隙內(nèi)雜質(zhì)態(tài)到導(dǎo)帶之間的躍遷。樣品A和B的峰值在退火后向短波方向轉(zhuǎn)移。說明退火后樣品A，B中價帶到導(dǎo)帶躍遷占主導(dǎo)地位。摻雜濃度對GaN的折射率影響不太大。結(jié)論：45 /