【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(lán)寶石襯底比GaN薄膜厚得多，因此，藍(lán)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(shí)，GaN薄膜中多次反射（兩次以上）產(chǎn)生的透射光在整個(gè)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(shí)，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(jì)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(jì)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(qiáng)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(diǎn)公認(rèn)的是黃帶起源于晶體的缺陷結(jié)構(gòu)。這進(jìn)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(qiáng)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(lán)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(rèn)為，這是因?yàn)閷λ{(lán)寶石進(jìn)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(huì)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(shí)，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(dá)到一定程度后，便會(huì)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(cuò)彎曲90176。，使其不能到達(dá)薄膜表面，這樣可以大大降低位錯(cuò)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(jì)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(lán)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(qiáng)度顯著提高，而且從有明顯的黃光帶降低到幾乎可以忽略。總之，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(lán)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(qiáng)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(qiáng)下GaN的能帶結(jié)構(gòu),如圖1所示。其能帶間隙隨壓強(qiáng)的變化如圖2所示。　　從圖1可以看出,隨著壓強(qiáng)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(qiáng)區(qū),帶隙的能量變化較小。在0~500 GPa范圍內(nèi),壓強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)時(shí), eV, eV。在壓強(qiáng)約為125 GPa時(shí),直接帶隙與間接帶隙相等,177。隨著壓強(qiáng)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(diǎn)。在0~500 GPa范圍內(nèi)GaN的態(tài)密度隨壓強(qiáng)的變化如圖3所示。從圖3可以得到,在沒有壓強(qiáng)時(shí),價(jià)帶為0到25 eV間隔內(nèi),GaN的態(tài)密度出現(xiàn)了4個(gè)峰, eV處出現(xiàn)一個(gè)很尖銳的峰, 42 electrons/eV。當(dāng)壓強(qiáng)增加到50 GPa時(shí), 7 eV處, 7 electrons/eV。隨著壓強(qiáng)的繼續(xù)增大,每個(gè)峰向左移動(dòng),且峰值降低了?！　膱D4可以看出,隨著壓強(qiáng)的增大,吸收波段出現(xiàn)了藍(lán)移,在無壓強(qiáng)時(shí), 5 nm,為376 。當(dāng)壓強(qiáng)為50 GPa時(shí), 37 nm處,其值為429 。隨著壓強(qiáng)的不斷增大,吸收光譜強(qiáng)度的最大值向左移動(dòng),且變大。在沖擊波測溫實(shí)驗(yàn)時(shí),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(gè)波段上有吸收,且吸收越來越少,說明隨著壓強(qiáng)的增大,GaN的透明度增大。因?yàn)榫Ц裾駝?dòng)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(dòng)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(qiáng)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(qiáng)下氮化鎵的探討,得出以下結(jié)論:隨著壓強(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)。吸收波段出現(xiàn)了藍(lán)移。吸收光譜強(qiáng)度的最大值向左移動(dòng),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(jìn)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(jìn)的單色平面波電場強(qiáng)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(shí)（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(fèi)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(gè)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(gè)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?。砻魉谋砻嫔L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?fù)诫s的兩個(gè)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(gè)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(rèn)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(gè)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?，說明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(qiáng)。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(jìn)一步研究。重?fù)诫sA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(qiáng)，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(jī)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?，退火使樣品的折射率及消光系數(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(gè)樣品的表面情況差別很大，其中三個(gè)樣品A，B，D的表面較光滑而且致密，，兩個(gè)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?？偟膩砜?，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(jià)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 /