【正文】 量較好的GaN材料。 材料生長(zhǎng)高質(zhì)量的GaN材料是研究開(kāi)發(fā)Ⅲ族氮化物發(fā)光器件和電子器件以及保證器件性能和可靠性的前提條件。只有解決了上述問(wèn)題之后才有可能真正實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命、高可靠的器件。這些長(zhǎng)壽命、大功率、高可靠激光器的實(shí)現(xiàn)為GaN基激光器的商品化鋪平了道路。在50C的環(huán)境溫度和30mW的穩(wěn)定輸出功率下，LD的CW工作壽命大于160小時(shí)。另外Shuji Nakamura等人還在藍(lán)寶石襯底上的ELOG上生長(zhǎng)了InGaN多量子阱結(jié)構(gòu)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(dá)420mW。退化速度定義為dI/dt(mA/100h)，式中I為L(zhǎng)D的工作電流，t是工作時(shí)間。在工作290小時(shí)以后LD仍能繼續(xù)正常工作。利用自動(dòng)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(duì)CW工作的LD進(jìn)行了壽命測(cè)試。Nichia公司的Shuji Nakamura最近還研制成功了大功率長(zhǎng)壽命的InGaN MQW結(jié)構(gòu)LD，在這種激光器中采用了調(diào)制摻雜應(yīng)變層超晶格(MDSLS)和外延橫向過(guò)生長(zhǎng)GaN（ELOG）襯底，見(jiàn)圖3.ALGaN/GaN調(diào)制摻雜應(yīng)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(nèi)，其目的是防止ALGaN用于減少GaN層中的線位錯(cuò)的數(shù)目。其閾值電流、閾值電壓和閾值電流密度分別為380mA、。且前各大公司的GaN基藍(lán)光LD的研究水平見(jiàn)表1。在CW條件下。激光器芯片p側(cè)朝上安裝在管芯上。晶體磨薄到大約100nm和形成接觸后，解理晶片形成500nm的長(zhǎng)腔。激光器結(jié)構(gòu)是在SiC襯底上生長(zhǎng)的，并且采用了垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)（p型和n型接觸分別制作在晶體片的頂面和背面）。在50C環(huán)境溫度、CW應(yīng)用條件下，5mW恒定輸出功率下的LD壽命約為160小時(shí)。在溫室連續(xù)波應(yīng)用條件下，待解理鏡面的LD的輸出功率高達(dá)30mW。1998年Shiji Nakamura等人在藍(lán)寶石上橫向過(guò)生長(zhǎng)的GaN上生長(zhǎng)了InGaN多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)激光二極管。在1微秒脈寬、1KHz的工作電流條件下測(cè)量了激光器的特性。利用CAIBE向下刻蝕到n型GaN層制作出了10umX800um的條帶。三星的激光器結(jié)構(gòu)是在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的，但未用外延橫向過(guò)生長(zhǎng)。P型和n型電極分別制作在芯片的頂部和底部的垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)InGaN LD也已有報(bào)道。現(xiàn)已成功地在SiC襯底上生長(zhǎng)出了高質(zhì)量的GaN基材料。藍(lán)寶石用作GaN基LD的襯底時(shí)存在腔鏡制作和電極工藝方面的問(wèn)題。Nichia公司的成功以及藍(lán)光LD的巨大市場(chǎng)潛力致使許多大公司和科研機(jī)構(gòu)紛紛加入到開(kāi)發(fā)Ⅲ族氮化物藍(lán)光LD的行列之中，其中Nichia公司的GaN藍(lán)光LD在世界上居領(lǐng)先地位，其GaN藍(lán)光LD室溫下2mw連續(xù)工作的壽命已突破10000小時(shí)。 器件進(jìn)展在成功地開(kāi)發(fā)出藍(lán)光和綠光LED之后，科研人員開(kāi)始將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到電注入GaN基藍(lán)光LD的開(kāi)發(fā)方面。二次離子質(zhì)譜(SIMS)測(cè)量結(jié)果表明，SiO2層中的氧可能是GaN PL強(qiáng)度下降的真正原因。由于二氧化硅中氧對(duì)GaN光學(xué)質(zhì)量的可能影響，目前有一種研究二氧化硅對(duì)GaN光學(xué)特性和電學(xué)特性影響的實(shí)際需求。Dingle等人率先報(bào)道了GaN的激射情況。Kosicki等人報(bào)道了多晶GaN的光學(xué)吸收和真空反射率。此后不久，Pankove報(bào)道了低溫GaN PL光譜。正是由于這個(gè)原因，許多GaN的研究工作致力于測(cè)定GaN的光學(xué)特性。過(guò)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。本文介紹的是藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)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(diǎn)作扼要介紹。但是GaN材料仍然存在一些問(wèn)題。NaOH、H2SO4和H3PO4能較快地腐蝕質(zhì)量差的GaN，可用于這些質(zhì)量不高的GaN晶體的缺陷檢測(cè)。因?yàn)槠溆捕雀?，又是一種良好的涂層保護(hù)材料。在大氣壓力下，GaN晶體一般是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。1 引言GaN材料的研究與應(yīng)用是目前全球半導(dǎo)體研究的前沿和熱點(diǎn)，是研制微電子器件、光電子器件的新型半導(dǎo)體材料，并與SiC、金剛石等半導(dǎo)體材料一起，被譽(yù)為是繼第一代Ge、Si半導(dǎo)體材料、第二代GaAs、InP化合物半導(dǎo)體材料之后的第三代半導(dǎo)體材料。GaN是極穩(wěn)定的化合物，又是堅(jiān)硬的高熔點(diǎn)材料，熔點(diǎn)約為1700℃，GaN具有高的電離度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（）。它在一個(gè)元胞中有4個(gè)原子，原子體積大約為GaAs的一半。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。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。如在用異質(zhì)外延（以藍(lán)寶石和SiC作為襯底）技術(shù)生長(zhǎng)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(cuò)密度達(dá)到了108~1010/cm2（雖然藍(lán)寶石和SiC與GaN的晶體結(jié)構(gòu)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(dá)1017cm3（可能與N空位、替位式Si、替位式O等有關(guān)），并呈現(xiàn)出n型導(dǎo)電；雖然容易實(shí)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%。2 材料特性及器件應(yīng)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(duì)GaN的了解還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。人們對(duì)GaN感興趣的一個(gè)主要原因是它作為藍(lán)光、紫光發(fā)射器件的應(yīng)用潛力。 。隨后，Dingle等人對(duì)高質(zhì)量GaN進(jìn)行了PL和陰極發(fā)光光譜測(cè)量，還有一些人進(jìn)行了發(fā)射、反射和吸收測(cè)量。通過(guò)光學(xué)泵浦在許多實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了GaN的受激發(fā)射。眾所周知，SiO2是半導(dǎo)體加工中常用的一種非常重要的介質(zhì)材料，它還可用于GaN基激光二極管的制作。研究發(fā)現(xiàn)，SiO2可引起GaN外延層PL性能的明顯退化。另外還發(fā)現(xiàn)快速熱退火（RTP）可以恢復(fù)和提高PL性能。1996年，Nichia公司首先實(shí)現(xiàn)了室溫條件下電注入GaN基藍(lán)光LD的脈沖工作，隨后又在年底實(shí)現(xiàn)了室溫下的連續(xù)波工作。目前制作GaN基激光器常用藍(lán)寶石、SiC和GaN襯底。SiC襯底可以滿足所有要求。SiC上生長(zhǎng)的InGaN LD的室溫脈沖工作和連續(xù)波工作時(shí)有報(bào)道。1998年三星SAIT的研究人員演示了氮化物藍(lán)光激光器室溫下的脈沖工作。有源區(qū)包括一個(gè)InGaN/GaNMQW,。激光器端面是利用CAIBE或解理形成，端面表面未鍍膜。高于閾值電流時(shí)，觀察到了一種強(qiáng)烈且清晰的發(fā)射模式，中心波長(zhǎng)為418nm。InGaN MQW LD生長(zhǎng)在去除藍(lán)寶石后得到的獨(dú)立GaN襯底上。通過(guò)將脊波導(dǎo)減小到2um，觀察到了穩(wěn)定的基橫模。富士通繼Nichia Cree Research和索尼等公司之后，宣布研制成了InGaN藍(lán)光激光器，該激光器可在溫室下CW應(yīng)用。這是首次報(bào)道的垂直器件結(jié)構(gòu)的CW藍(lán)光激光器。條帶方向是[1100]，具有高反射率鍍膜的解理面為（1100）。在25C脈沖應(yīng)用（300ns,1KHz）下，相當(dāng)于506KA/cm2的閾值電流密度，這是SiC上InGaN激光器的最低值。器件可在高達(dá)40C下工作。表1 各大公司GaN基藍(lán)光LD的研究水平匯總1998年10月，Reiko Soejima等人曾報(bào)道了SiC上制作的垂直傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)的InGaN MQW LD在250K下的連續(xù)波工作。這些結(jié)果表明SiC襯底上的InGaN激光器前途光明。在這種激光器中Shuji Nakamura采用了ELOG襯底，這是因?yàn)楫?dāng)利用拉寶石襯底時(shí)，難于得到用于常規(guī)LD腔的解理鏡面，并且藍(lán)寶石的熱導(dǎo)率（）也不如GaN（）高，不利于散掉LD產(chǎn)生的熱。在工作100小時(shí)以后，隨