GaN基材料半导体激光器的发展动态.docx

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1、1 引言言GaN材材料的研研究与应应用是目目前全球球半导体体研究的的前沿和和热点，是研制制微电子子器件、光电子子器件的的新型半半导体材材料，并并与SiiC、金金刚石等等半导体体材料一一起，被被誉为是是继第一一代Gee、Sii半导体体材料、第二代代GaAAs、IInP化化合物半半导体材材料之后后的第三三代半导导体材料料。GaN是是极稳定定的化合合物，又又是坚硬硬的高熔熔点材料料，熔点点约为117000，GaaN具有有高的电电离度，在族化合合物中是是最高的的（0.5或00.433）。在在大气压压力下，GaNN晶体一一般是六六方纤锌锌矿结构构。它在在一个元元胞中有有4个原原子，原原子体积积大约为为G

2、aAAs的一一半。因因为其硬硬度高，又是一一种良好好的涂层层保护材材料。在室温下下，GaaN不溶溶于水、酸和碱碱，而在在热的碱碱溶液中中以非常常缓慢的的速度溶溶解。NNaOHH、H22SO44和H33PO44能较快快地腐蚀蚀质量差差的GaaN，可可用于这这些质量量不高的的GaNN晶体的的缺陷检检测。GGaN在在HCLL或H22气下，在高温温下呈现现不稳定定特性，而在NN2气下下最为稳稳定。但是GaaN材料料仍然存存在一些些问题。如在用用异质外外延（以以蓝宝石石和SiiC作为为衬底）技技术生长长出的GGaN单单晶，还还不太令令人满意意（这有有碍于GGaN器器件的发发展），例如位位错密度度达到了了

3、108810010/cm22（虽然然蓝宝石石和SiiC与GGaN的的晶体结结构相似似，但仍仍然有比比较大的的晶格失失配和热热失配）；未掺掺杂GaaN的室室温背景景载流子子（电子子）浓度度高达110177cm-3（可可能与NN空位、替位式式Si、替位式式O等有有关），并呈现现出n型型导电；虽然容容易实现现n型掺掺杂（掺掺Si可可得到电电子浓度度10115110200/cmm3、室室温迁移移率3300 cm22/ VV.s 的n型型GaNN），但但p型掺掺杂水平平太低（主要是是掺Mgg），所所得空穴穴浓度只只有1001710118/ccm3，迁移率率100cm22/V.s，掺掺杂效率率只有00.1

4、%1%。本文文介绍的的是蓝宝宝石衬底底上生长长的氮化化镓基激激光器的的研制和和发展概概况以及及近期研研究热点点作扼要要介绍。2 材料料特性及及器件应应用2.1 材料特特性GaN是是目前为为止所有有-族氮化化物中研研究最多多的材料料，但与与常用的的Si和和GaAAs材料料相比，对GaaN的了了解还是是远远不不够的。过去较较大的本本底n型型载流子子浓度，缺乏合合适的衬衬底材料料，GaaNp型型掺杂的的困难及及加工困困难使研研究人员员屡屡受受挫。人人们对GGaN感感兴趣的的一个主主要原因因是它作作为蓝光光、紫光光发射器器件的应应用潜力力。正是是由于这这个原因因，许多多GaNN的研究究工作致致力于测测

5、定GaaN的光光学特性性。 Murraskka和TTiettjiaan首先先精确测测出了GGaN的的直接带带隙为33.399eV。此后不不久，PPankkovee报道了了低温GGaN PL光光谱。随随后，DDinggle等等人对高高质量GGaN进进行了PPL和阴阴极发光光光谱测测量，还还有一些些人进行行了发射射、反射射和吸收收测量。Kossickki等人人报道了了多晶GGaN的的光学吸吸收和真真空反射射率。通通过光学学泵浦在在许多实实验中发发现了GGaN的的受激发发射。DDinggle等等人率先先报道了了GaNN的激射射情况。众所周知知，SiiO2是半导导体加工工中常用用的一种种非常重重要的介

6、介质材料料，它还还可用于于GaNN基激光光二极管管的制作作。由于于二氧化化硅中氧氧对GaaN光学学质量的的可能影影响，目目前有一一种研究究二氧化化硅对GGaN光光学特性性和电学学特性影影响的实实际需求求。最近近X.CC.Waang等等人报道道了对这这一问题题研究的的初步结结果。研研究发现现，SiiO2可引起起GaNN外延层层PL性性能的明明显退化化。二次次离子质质谱(SSIMSS)测量量结果表表明，SSiO22层中的的氧可能能是GaaN PPL强度度下降的的真正原原因。另另外还发发现快速速热退火火（RTTP）可可以恢复复和提高高PL性性能。2.2 器件进进展在成功地地开发出出蓝光和和绿光LLE

7、D之之后，科科研人员员开始将将研究重重点转移移到电注注入GaaN基蓝蓝光LDD的开发发方面。19996年，Nicchiaa公司首首先实现现了室温温条件下下电注入入GaNN基蓝光光LD的的脉冲工工作，随随后又在在年底实实现了室室温下的的连续波波工作。Nicchiaa公司的的成功以以及蓝光光LD的的巨大市市场潜力力致使许许多大公公司和科科研机构构纷纷加加入到开开发族氮化化物蓝光光LD的的行列之之中，其其中Niichiia公司司的GaaN蓝光光LD在在世界上上居领先先地位，其GaaN蓝光光LD室室温下22mw连连续工作作的寿命命已突破破100000小小时。目前制作作GaNN基激光光器常用用蓝宝石石、

8、SiiC和GGaN衬衬底。蓝蓝宝石用用作GaaN基LLD的衬衬底时存存在腔镜镜制作和和电极工工艺方面面的问题题。SiiC衬底底可以满满足所有有要求。现已成成功地在在SiCC衬底上上生长出出了高质质量的GGaN基基材料。SiCC上生长长的InnGaNN LDD的室温温脉冲工工作和连连续波工工作时有有报道。P型和nn型电极极分别制制作在芯芯片的顶顶部和底底部的垂垂直导电电结构IInGaaN LLD也已已有报道道。19988年三星星SAIIT的研研究人员员演示了了氮化物物蓝光激激光器室室温下的的脉冲工工作。三三星的激激光器结结构是在在蓝宝石石衬底上上生长的的，但未未用外延延横向过过生长。有源区区包括

9、一一个InnGaNN/GaaNMQQW,AALK00.077Ga0.93NN用作包包层。利利用CAAIBEE向下刻刻蚀到nn型GaaN层制制作出了了10uumX8800uum的条条带。激激光器端端面是利利用CAAIBEE或解理理形成，端面表表面未镀镀膜。在在1微秒秒脉宽、1KHHz的工工作电流流条件下下测量了了激光器器的特性性。在116.55V的工工作电压压下测得得的阈值值电流为为1.66A，对对应于220.33KA/cm22的阈值值电流密密度。高高于阈值值电流时时，观察察到了一一种强烈烈且清晰晰的发射射模式，中心波波长为4418nnm。19988年Shhijii Naakammuraa等人在

10、在蓝宝石石上横向向过生长长的GaaN上生生长了IInGaaN多量量子阱(MQWW)结构构激光二二极管。在InnGaNN阱层为为2时得得到了11.2和和2.88KA/cm22的最低低阈值电电流密度度。InnGaNN MQQW LLD生长长在去除除蓝宝石石后得到到的独立立GaNN衬底上上。在温温室连续续波应用用条件下下，待解解理镜面面的LDD的输出出功率高高达300mW。通过将将脊波导导减小到到2umm，观察察到了稳稳定的基基横模。在500C环境境温度、CW应应用条件件下，55mW恒恒定输出出功率下下的LDD寿命约约为1660小时时。富士通继继Nicchiaa Crree Ressearrch和和

11、索尼等等公司之之后，宣宣布研制制成了IInGaaN蓝光光激光器器，该激激光器可可在温室室下CWW应用。激光器器结构是是在SiiC衬底底上生长长的，并并且采用用了垂直直导电结结构（pp型和nn型接触触分别制制作在晶晶体片的的顶面和和背面）。这是是首次报报道的垂垂直器件件结构的的CW蓝蓝光激光光器，激激光器机机构见图图2.富富士通研研制的激激光器是是利用LLP-MMOVPPE在66H-SSiC衬衬底上生生长的。晶体磨磨薄到大大约1000nmm和形成成接触后后，解理理晶片形形成5000nmm的长腔腔。条带带方向是是11100，具有有高反射射率镀膜膜的解理理面为（11000）。激光器器芯片pp侧朝上上

12、安装在在管芯上上。在225C脉脉冲应用用（3000nss,1KKHz）下，阈阈值电流流和阈值值电压分分别是884mAA和122.0VV，相当当于5006KAA/cmm2的阈值值电流密密度，这这是SiiC上IInGaaN激光光器的最最低值。在CWW条件下下，阈值值电流和和阈值电电压分别别为1115mAA和100.5VV。峰值值波长为为4088.2nnm。器器件可在在高达440C下下工作。且前各各大公司司的GaaN基蓝蓝光LDD的研究究水平见见表1。表1 各大公公司GaaN基蓝蓝光LDD的研究究水平汇汇总19988年100月，RReikko SSoejjimaa等人曾曾报道了了SiCC上制作作的垂

13、直直传导结结构的IInGaaN MMQW LD在在2500K下的的连续波波工作。其阈值值电流、阈值电电压和阈阈值电流流密度分分别为3380mmA、112.66V和112KAA/cmm2。这些些结果表表明SiiC衬底底上的IInGaaN激光光器前途途光明。Nichhia公公司的SShujji NNakaamurra最近近还研制制成功了了大功率率长寿命命的InnGaNN MQQW结构构LD，在这种种激光器器中采用用了调制制掺杂应应变层超超晶格(MD-SLSS)和外外延横向向过生长长GaNN（ELL-OGG）衬底底，见图图3.ALGaaN/GGaN调调制掺杂杂应变层层超晶格格用作包包层，替替代了较较

14、厚的AALGaaN层，其厚度度在临界界范围内内，其目目的是防防止ALLGaNN用于减减少GaaN层中中的线位位错的数数目。在在这种激激光器中中Shuuji Nakkamuura采采用了EELOGG衬底，这是因因为当利利用拉宝宝石衬底底时，难难于得到到用于常常规LDD腔的解解理镜面面，并且且蓝宝石石的热导导率（00.5WW/cnn.K）也不如如GaNN（1.3W/cm.K）高高，不利利于散掉掉LD产产生的热热。利用用自动功功率控制制器将每每面功率率控制为为5mWW的稳定定输出功功率，在在温室下下对CWW工作的的LD进进行了寿寿命测试试。在工工作1000小时时以后，随着工工作时间间的增加加，工作作

15、电流几几乎仍保保持不变变。在工工作2990小时时以后LLD仍能能继续正正常工作作。根据据退化速速度可以以预计出出LD的的寿命。退化速速度定义义为dII/dtt(mAA/1000h)，式中中I为LLD的工工作电流流，t是是工作时时间。利利用这一一退化速速度得到到工作电电流增加加到LDD初始工工作电流流的2倍倍时的预预计寿命命，这种种激光器器的预计计寿命大大约为1100000小时时左右，这种LLD在RRT、CCW下的的典型LL-I和和V-II特性如如图4所所示。另另外Shhujii Naakammuraa等人还还在蓝宝宝石衬底底上的EELOGG上生长长了InnGaNN多量子子阱结构构LD，在RTT

16、-CWW工作条条件下，这种具具有理解解镜面的的LD每每面输出出功率高高达4220mWW。在高高达1000mWW的输出出功率下下观测到到了基横横模。在在50CC的环境境温度和和30mmW的稳稳定输出出功率下下，LDD的CWW工作寿寿命大于于1600小时。温度变变化引起起的波长长漂移预预计为00.066nm/K，远远远小于于ALIInGaaP LLD的00.3nnm/KK的波长长漂移值值。这些些长寿命命、大功功率、高高可靠激激光器的的实现为为GaNN基激光光器的商商品化铺铺平了道道路。2.3 关键技技术目前-族氮化化物激光光二极管管的主要要问题包包括；pp型掺杂杂，减小小位错密密度，合合适的激激发

17、结构构，解理理面、反反射镜的的制备，新工艺艺，欧姆姆接触，衬底和和外延生生长。只只有解决决了上述述问题之之后才有有可能真真正实现现长寿命命、高可可靠的器器件。现现仅就材材料生长长、衬底底选择、欧姆接接触和干干法刻蚀蚀做一简简单介绍绍。2.3.1 材材料生长长高质量的的GaNN材料是是研究开开发族氮化化物发光光器件和和电子器器件以及及保证器器件性能能和可靠靠性的前前提条件件。目前前GaNN的异质质外延生生长主要要采用MMOVPPE、MMBE和和HVPPE等外外延技术术。HVVPE以以GaCCl3为Gaa源，NNH3为N源源，可以以在10000CC左右在在蓝宝石石衬底上上快速生生长质量量较好的的G

18、aNN材料。其缺点点是很难难精确控控制膜的的厚度。HVPPE主要要用于改改进MOOVPEE生长的的LEDD结构以以提高光光效率，或改进进MBEE生长的的LD结结构，使使其具有有较低的的串连电电阻和较较好的解解理。MBE技技术直接接以Gaa或All的分子子束作为为族源，以NHH3作N源源，在衬衬底表面面生成族氮化化物。采采用MBBE生长长GaNN及异质质结构材材料的优优点一是是低温生生长，一一般在7700CC左右，从而避避免了扩扩散问题题；二是是生长后后无需进进行热处处理。为为了进一一步提高高晶体质质量，正正在研究究以等离离子体辅辅助增强强技术激激发N22,替代代NH33 做NN源。MMBE生生

19、长族氮化化物的速速度较慢慢，可以以精确控控制膜厚厚，但对对于外延延层较厚厚的器件件如LEED和LLD来说说，生长长时间过过长，不不能满足足大规模模生产的的要求。MOVVPE技技术以族金属属有机物物为族源，以NHH3 为NN源，在在高温下下进行族氮化化物的生生长，MMOVPPE的生生长速率率适中，可以精精确控制制膜厚，特别适适合于LLED和和LD的的大规模模生产。MOVVPE技技术是目目前使用用最多，材料和和器件质质量最高高的生长长方法。2.3.2 衬衬底的选选择影响GaaN研究究的主要要困难之之一就是是缺乏于于GaNN晶格匹匹配且热热兼容的的合适的的衬底材材料。尽尽管人们们已经认认识到缺缺乏本

20、体体衬底是是氮化物物研究的的主要障障碍，然然而因为为本体生生长被认认为是劳劳而无功功的事情情，所以以从事这这方面研研究的人人员很少少。该领领域的工工作人员员主要研研究的是是在许多多不同衬衬底上的的异质外外延生长长。衬底底的种类类和质量量对外延延影响很很大。在在选择衬衬底时通通常要考考虑如下下因素：尽量采采用同一一系统的的材料作作为衬底底；失配配度越小小越好；材料的的热膨胀胀系数相相近；用用于光电电器件中中最好寻寻求低阻阻衬底；用于微微波器件件中最好好选取良良好微波波介质性性质的半半绝缘材材料；用用于激光光器时，要易于于解理以以形成腔腔面。此此外还要要考虑到到材料的的尺寸和和价格等等问题。尽管许

21、多多材料可可以或有有望于GGaN异异质外延延生长，但目前前主要采采用的衬衬底材料料只有SSiC和和蓝宝石石。蓝宝宝石衬底底是目前前使用最最为普遍遍的一种种衬底材材料。它它具有与与纤锌矿矿族氮化化物相同同的六方方对称性性，也是是微电子子研究中中经常使使用的衬衬底材料料。其制制备工艺艺成熟、价格较较低、易易于清理理和处理理，而且且在高温温下具有有很好的的稳定性性，可以以大尺寸寸稳定生生长。但但蓝宝石石衬底本本身不导导电，不不能制作作电极，其解理理较为困困难，晶晶格常数数与GaaN相差差15%，而且且同GaaN材料料的热膨膨胀系数数也存在在较大的的差异。目前以以蓝宝石石为衬底底的GaaN/GGaIn

22、nN蓝绿绿光LEED已经经实现商商品化，蓝光LLD也已已经实现现室温条条件下的的连续波波工作。SiC是是另一类类非常重重要的衬衬底材料料，同蓝蓝宝石相相比，SSiC本本身具有有蓝光发发光特性性，且为为低阻材材料，可可以制作作电极，其晶格格常数和和材料的的热膨胀胀系数与与GaNN材料更更为接近近，并且且易于解解理。SSiC材材料的缺缺点是价价格昂贵贵。GaN是是最为理理想的衬衬底材料料，但目目前所能能获得的的单晶尺尺寸太小小。最近近有人提提出了外外延横向向过生长长GaNN（Eppitaaxiaal LLateerall Ovverggrowwth GaNN ELLOG）衬底和和端面开开始的外外延

23、横向向过生长长技术（Facced Iniitiaatedd Eppitaaxiaal LLateerall Ovverggrowwth FIEELO）。这种种技术用用于生产产低位错错密度的的GaNN。目前前ELOOG技术术已经用用于蓝光光LD，并获得得了满意意的结果果。Maasarru利用用FIEELO技技术在蓝蓝宝石衬衬底上成成功地生生长出了了无裂纹纹且具有有类镜面面表面的的低位错错密度GGaN层层。通过过除去蓝蓝宝石衬衬底可得得到独立立的GaaN晶片片。研究究表明FFIELLO衬底底上生长长的LDD的激射射阈值总总比蓝宝宝石衬底底上生长长的LDD低，并并且可靠靠性也有有了显著著地提高高。2

24、.3.3 欧欧姆接触触由于GaaN基器器件如发发光二极极管、激激光二极极管和MMESFFET及及HEMMT的开开发成功功，制作作电阻较较低、可可靠性良良好的高高质量欧欧姆接触触的技术术意义就就显得更更为重要要。事实实上p-GaNN的高接接触电阻阻是实现现长寿命命CW工工作的GGaN基基器件的的主要技技术障碍碍之一，因此开开发高质质量p-GaNN欧姆接接触是提提高器件件性能的的关键。对于n-GaNN欧姆接接触而言言，广泛泛研究的的是Tii或AllJ基金金属化方方法（如如Al,Ti/Al，Ti/Au,Ti/Al/Ni/Au和和Pd/Al）.在这这些金属属化方法法中实现现了100-3110-88cm

25、m的低接接触电阻阻，这对对于光学学或电子子器件工工作来说说已足够够好。然然而对于于p-GGaN欧欧姆接触触而言，有两种种主要的的技术障障碍使得得开发器器件质量量欧姆接接触很困困难。第第一种来来自生长长重掺杂杂p-GGaN（10018cmm-1）方方面的困困难。第第二种是是没有一一种功函函数大于于p型GGaN（约7.5eVV）的适适当金属属。这些些问题导导致了接接触电阻阻大于110-22cmm。Trrexller等等人研究究了p-GaNN的Nii/Auu和Pdd/Auu金属化化。研究究表明在在9000下退火火15秒秒时，仅仅Cr/Au接接触是欧欧姆接触触，比接接触电阻阻为4.110-11cmm。

26、Jaang等等人利用用Ni/Pt/Au金金属化研研究了pp-GaaN的欧欧姆接触触。结果果表明在在Ar流流动气氛氛下在5500下退火火30秒秒时，这这种金属属接触属属欧姆接接触，接接触电阻阻为2.110-22cmm。Ja-SSoonn Jaang等等人报道道了中等等掺杂pp型GaaNMg（310177cm-33）的低低阻欧姆姆接触的的Pt(20nnm)/Ni(30nnm)/Au(80nnm)金金属化方方法。pp-GaaN的已已淀积和和退火PPt/NNi/AAu接触触都显示示出线性性的电流流电压特特性，说说明形成成了高质质量的欧欧姆接触触。在NN流动气气氛下在在35CC下退火火1分钟钟时Nii/

27、Ptt/Auu显示出出了5.110-44cmm的比接接触电阻阻。下面面的图55示出了了p-GGaN的的Ni/Pt/Au接接触的LL-V特特性。从从图中可可以看出出，在3350下退火火1分钟钟进一步步提高了了Ni/Pt/Au接接触的欧欧姆特性性。测得得的比接接触电阻阻为5.110-44cmm。这是是目前所所报道的的p-GGaN接接触的最最低接触触电阻。2.3.4干法法刻蚀由于GaaN的化化学稳定定性极高高，没有有可重复复的湿法法刻蚀剂剂，在室室温下高高质量的的氮化物物对所有有的酸均均呈惰性性，在热热碱中腐腐蚀的也也很慢，因此发发展干法法刻蚀非非常重要要。ATPinng等人人报道了了利用AAr离子

28、子和HCCl气体体化学增增速离子子束刻蚀蚀MOCCVD GaNN的研究究情况，研究了了刻蚀速速率与离离子束能能量和衬衬底低温温的关系系。研究究发现HHCl气气体与CCl2相比，在较低低离子束束能量（3000eV）下刻蚀蚀速率较较低，实实现了高高度各向向异性刻刻蚀分布布。这表表明干法法刻蚀工工艺适合合于制作作激光器器的端面面和镜面面。采用Cll2F2及其与与N2混合气气体的反反应离子子刻蚀已已有报道道。这种种等离子子体采用用射频（13.56MMHz），在不不锈钢/石英反反应器中中辉光放放电，其其量大的的射频功功率为55KW，已经成成功开发发了表面面质量和和刻蚀速速率均为为最佳的的条件；采用纯纯C

29、Cll: NN2=1:1，压压力0.466.655Pa，流量112660scccm，其最快快的刻蚀蚀速率约约为200nm/分。2.4应应用与前前景短波长氮氮化物基基激光器器二极管管现在已已经走出出实验室室进入到到实际应应用阶段段，它有有望用作作电发光光显示、激光打打印机、高密度度激光存存储煤质质和光通通信系统统的光源源。在开开发蓝光光LD的的进程中中谈论最最多的应应用是光光学数据据存储系系统，但但元件的的首次应应用却是是在一个个完全不不同的领领域光谱学学。Niichiia公司司的LDD器件应应用到德德国激光光系统生生产厂家家Tuooiptticss GmmbHrr DLL1000外腔二二极管和

30、和校准光光学器件件，实现现了小至至1MHHz的线线宽，足足以分辨辨出原子子跃迁的的自然线线宽。尽尽管这是是第一个个利用蓝蓝光LDD的商品品，但是是在许多多应用领领域也取取得了进进展。通过对LLD波长长、系统统数值孔孔径、信信号处理理的改进进，DVVD-RROM可可比CDD-ROOM的存存储容量量提高77倍。而而应用蓝蓝光LDD可以大大幅度增增加信息息的光存存储密度度。目前前采用7780nnm的近近红外激激光，单单面CDD-ROOM的信信息记录录量约为为6500MHzz，而采采用6335nmm或6550nmm的红色色激光，单面DDVD-ROMM的信息息记录量量可以达达到4.78GGB，利利用蓝光

31、光LD可可将单面面DVDD-ROOM的信信息记录录量提高高到144GB，同时信信息的寻寻道时间间将缩短短到200400ms，而目前前CD-ROMM的寻道道时间通通常为11001500ms。GaN LD的的迅速发发展也将将影响到到未来的的印刷业业，未来来打印机机技术受受速度、色彩、分辨率率、电力力消耗和和多功能能等多种种要求的的影响。蓝光LLD可以以满足未未来打印印机的要要求。高高输出功功率单模模连续波波GaNN LDD的较高高功率可可使打印印速度提提高及图图像性能能改善。此外GaaN基蓝蓝光LDD还可应应用于显显示技术术和光对对潜通信信等方面面，其应应用广泛泛，市场场庞大，预计今今后几年年Ga

32、NN基LDD的市场场将会达达到几倍倍增长。GaNN基LDD的发展展也必将将带动相相关行业业的发展展，可以以说是未未来经济济新的增增长点，因此世世界许多多公司都都竞相投投入到GGaN基基LD的的开发与与研制活活动中心心，氮化化物基LLD的前前景一片片光明。3 蓝宝宝石衬底底分子束束外延生生长GaaN薄膜膜的原位位椭偏光光谱分析析目前，GGaN半半导体薄薄膜材料料已成为为研制高高温、高高功率、高速短短波长光光电子器器件和新新型微电电子器件件的重要要材料，并已取取得重大大进展。但由于于GaNN外延层层与蓝宝宝石衬底底之间的的晶格常常数和热热膨胀系系数失配配，致使使在GaaN单晶晶薄膜异异质外延延中，

33、产产生大量量的结构构缺陷。特别是是在分子子束外延延（MBBE）中中，产生生的线位位错密度度高达110810010cmm-2，引引发多种种表面结结构缺陷陷。GaaN单晶晶薄膜中中的线位位错缺陷陷形成的的散射中中心影响响发光器器件的性性能；螺螺旋型线线位错在在其中心心可形成成纳米尺尺度的管管道，这这些纳米米级的空空洞对接接触金属属、掺杂杂剂和其其他杂质质形成扩扩散通道道，严重重影响器器件的电电学性质质。因此此，减少少GaNN单晶薄薄膜生长长过程中中产生的的结构缺缺陷成为为亟待解解决的关关键技术术问题。MBE是是制备高高质量GGaN薄薄膜的重重要技术术之一，特别是是可原为为监控生生长过程程，制备备的

34、薄膜膜材料可可广泛应应用于各各种光电电探测器器和微电电子器件件。近几几年来，通过选选择优化化MBEE生长速速度与温温度，特特别是在在成功利利用射频频（RFF）等离离子体源源和电子子回旋共共振（EECR）微波等等离子体体源辅助助技术之之后，制制备的GGaN薄薄膜质量量大幅提提高，但但样品的的表面平平整度远远不及金金属有机机物气相相外延（MOVVPE）技术生生长的GGaN薄薄膜。理理论分析析认为，MBEE生长GGaN过过程中产产生的较较高的位位错密度度是丘状状螺旋生生长的起起源，而而Ga原原子的扩扩散长度度较短导导致表面面扩散受受限，可可能是较较高的位位错密度度产生的的主要原原因。采采用衬底底偏晶

35、向向法形成成单原子子高度台台阶的邻邻晶面，使薄膜膜生长实实现台阶阶流动（SF）模式，可抑制制螺旋位位错的出出现得到到平滑表表面的薄薄膜。本本文通过过对比分分析蓝宝宝石常规规和邻晶晶面衬底底MBEE生长GGaN薄薄膜中的的线原位位椭偏(SE)光谱，研究探探讨了外外延层中中应变能能释放过过程和位位错缺陷陷生成机机制。3.1 椭偏光光谱基本本原理电磁波在在介质中中传播时时，相对对介电常常数代表表介质中中分子的的极化效效应。对对于离子子键成分分占399%的GGaN半半导体材材料，GGaN分分子在极极化过程程中总是是存在损损耗。电电磁波在在GaNN材料中中传播时时，交变变电场的的作用使使GaNN中正负负

36、离子相相对于平平衡位置置发生位位移，部部分电场场能量转转化为GGaN晶晶体晶格格振动能能量。这这种极化化过程存存在的能能量损耗耗通常用用相对复复介电常常数来描描述，此此时相对对介电常常数r为虚数数，可假假定r=1 +ii2 ,材材料的基基本化学学常数折折射率nn和消光光系数KK以及相相对介电电常数的的实部1 和虚虚部2 都是是入射光光波长的的函数，折射率率和小光光系数与与复介电电常数的的函数关关系式为为光经过两两种两种种介质界界面时的的反射和和透射光光强与材材料的光光学常数数相联系系。就反反射光谱谱而言，只要不不是在正正入射情情况下测测量，垂垂直于入入射面偏偏振的电电矢量和和平行于于入射面面偏

37、振的的电矢量量其振幅幅反射系系数不同同，具体体可描述述为由此可见见，对斜斜入射的的偏振光光，经介介质表面面反射后后其电矢矢量振幅幅和相位位都会改改变。对对于椭圆圆偏振光光其反射射光的振振幅反射射系数之之比为（5）式式中taan为入射射面内偏偏振的电电矢量与与垂直于于入射面面内偏振振的电矢矢量的相相对振幅幅衰减，为反射射引起的的两个电电矢量间间的相位位差。有有（3）（55）式计计算可得得由（6）式和（7）式式可知，在某一一波长的的入射光光实验条条件下，测出，和入射射角就可以以求出该该波长下下材料的的折射率率和消光光系数。再由（1）式式，（22）式即即可得出出被测样样品在相相应波长长的介电电常数的

38、的实部1 和虚虚部2 。3.2 GaNN薄膜的的外延生生长和原原位SEE光谱分分析利用EIIKO RF-MBEE系统配配备的椭椭偏光谱谱仪测量量基于GGaN薄薄膜生长长过程中中在线原原位SEE数据。在有效效界面近近似条件件下，通通过选用用适当模模型采用用FasstDyyn数据据处理运运算程序序进行数数据拟合合，获得得了MBBE生长长GaNN薄膜的的基本光光学常数数谱。基基于蓝宝宝石常规和邻邻晶面衬衬底MBBE生长长GaNN薄膜原原位椭偏偏光谱实实验数据据，用色色散基本本理论，分析外外延层中中应变能能释放过过程。图图1为常常规蓝宝宝石衬底底生长11号样品品生长过过程原位位SE图谱谱，图22为邻晶

39、晶面蓝宝宝石衬底底生长过过程原位位SE图谱谱。原位位SE图谱谱显示的的是所生生长样品品复介电电函数的的实部随生生长时间间的进化化过程，从蓝宝宝石衬底底氮化开开始，逐渐渐上升，见图中中标识AA。大约约生长几几个单原原子层后后达到峰峰值，然然后开始始下降，表明GGaN缓缓冲层以以层状和和岛状混混合模式式即S-K模式式开始生生长。氮氮化物薄薄膜与蓝蓝宝石衬衬底的晶晶格常数数失配，在外延延缓冲层层中积累累应变能能。当应应变能释释放时，在沉积积物与界界面处的的高能量量激发岛岛形成。的下下降标志志着外延延GaNN缓冲层层在氮化化的蓝宝宝石衬底底上出现现第一次次应变能能释放过过程。在在这个SS-K模模式生长

40、长阶段，所形成成的岛尺尺度约几几十个纳纳米；此此时SEE光谱的的变化与与缓冲层层的厚度度及粗糙糙度相关关，较长长的探测测光波长长达到峰峰值较晚晚。如图图中7000nmm和4550nmm的探测测光1 出现现峰值比比3700nm的的探测光光的峰值值滞后。随着缓缓冲层的的厚度增增加和迁迁移增强强外延（MEEE）技术术的应用用缓冲层层表面趋趋于光滑滑，SEE谱急剧剧上升直直到出现现峰值，见图中中B处；然后趋趋于平缓缓下降，缓冲层层生长结结束。在缓冲层层升温至至7500附近，急剧剧下降，如图中中C处，这表明明外延层层出现第第二次应应变能释释放过程程。随后后7000nm，4500nm和和3700nm的的3

41、种探探测波长长的SEE光谱中中急剧剧上升表表明GaaN外延延层厚度度的增加加导致干干涉效应应波长为为7000nm和和4500nm的的探测光光随时间间出现周周期性振振荡。而而3700nm波波长探测测光由于于GaNN外延层层的带边边吸收，使得3370nnm波长长的探测测光在生生长约660miin后，外延层层厚度生生长到约约3500nm时时趋于平平缓。对对比分析析两种衬衬底生长长GaNN薄膜的的原位SSE光谱谱的变化化规律，发现两两种衬底底在氮化化和缓冲冲层生长长时都出出现应变变能释放放弛豫过过程；但但两种衬衬底的两两次应变变能释放放过程显显著不同同，尤其其是第二二次应变变能释放放时。常常规蓝宝宝石

42、衬底底在缓冲冲层升温温时不仅仅3700nm探探测光的的谱线线未出现现而且7700nnm，4450nnm探测测波长的的谱线线同步对对应下降降，其下下降斜率率远小于于邻晶面面衬底相相应过程程谱线线下降的的斜率，见图中中标示CC处。这这可能就就是常规规蓝宝石石衬底MMBE外外延生长长GaNN薄膜出出现较高高位错密密度的机机制。应应变能释释放不完完全，使使线位错错缺陷弯弯曲，应应变能的的积累，出现岛岛状生长长。结果果导致外外延层形形成丘状状螺旋结结构，引引起表面面粗糙。这一推推测可以以从随后后的外延延层生长长过程的的SE图图谱得到到证实。由图中中谱可可见，从从标示DD开始邻邻晶面衬衬底外延延层生长长出

43、现均均匀光滑滑的因厚厚度变化化引起的的干涉峰峰谷谱线线。而常常规衬底底的7000nmm，4550nmm干涉峰峰谷明显显不对称称和不均均匀，薄薄膜的光光学质量量较差。通过原位位真实时时间SEE图谱分分析发现现，在GGaN薄薄膜外延延生长过过程中，出现两两次应变变能释放放的过程程。第一一次出现现在缓冲冲层生长长过程中中，第二二次出现现在缓冲冲层升温温过程中中。由于于GaNN与蓝宝宝石衬底底的晶格格失配，自组织织的微晶晶结构通通过倾斜斜或旋转转变向释释放应变变能量。在缓冲冲层的生生长过程程中，这这些不同同方向的的微晶结结合导致致出现位位错。在在缓冲层层升温过过程中，表面原原子迁移移和蒸发发使线位位错

44、缺陷陷弯曲或或消失，出现第第二次应应变能释释放过程程，这一一过程对对于减少少线位错错至关重重要。比比较两种种衬底上上生长GGaN薄薄膜的SSE图谱谱，可以以认为常常规蓝宝宝石衬底底MBEE外延生生长GaaN薄膜膜中较高高的螺旋旋位错密密度是在在缓冲层层应变能能释放过过程中产产生的。采用邻邻晶面衬衬底可实实现台阶阶流动模模式S-K生长长GaNN薄膜，从而有有效抑制制螺旋位位错的形形成。通过原位位真实时时间SEE光谱研研究发现现，在缓缓冲层的的生长过过程中，自组织织的微晶晶结构通通过旋转转变向释释放应变变能量，导致不不同方向向的微晶晶结合出出现位错错。在缓缓冲层升升温过程程中，表表面原子子迁移和和

45、蒸发可可使线位位错缺陷陷弯曲或或消失，这一过过程对于于减少线线位错至至关重要要。研究究结果进进一步证证实了采采用衬底底偏晶向向法形成成单原子子高度台台阶的邻邻晶面，可以抑抑制螺旋旋位错的的产生，改善MMBE生生长GaaN薄膜膜的表面面质量。因此，在GaaN薄膜膜外延生生长过程程中，控控制生长长高质量量的缓冲冲层是减减少位错错密度、制备高高质量薄薄膜的关关键。4 r面面蓝宝石石衬底上上采用两两步AIIN缓冲冲层法外外延生长长a面GGaN薄薄膜及应应力研究究近年来，IIII族氮化化物在光光电子和和微电子子领域都都取得了了很大的的进展。由于难难以获得得体材料料使得IIII族族氮化物物材料主主要异质质

46、外延生生长在其其他衬底底上，蓝蓝宝石是是最常用用的衬底底，目前前绝大多多数的GGaN基基发光二二极管（LEDD）和激激光器(LD)都是外外延在cc面蓝宝宝石衬底底上。而而在c面面蓝宝石石上得到到的c面面IIII-V族族氮化物物材料的的结构不不具有中中心反演演对称性性，并且且IIII族元素素的原子子和N原原子的电电负性相相差很大大，导致致GaNN及其异异质结在在方向具具有很强强的自发发极化和和压电极极化，极极化效应应的存在在对材料料特性和和器件的的性能有有重要的的影响。极化效效应在IIII-V族氮氮化物外外延层中中产生较较高强度度的内建建电场，内建电电场的存存在使能能带弯曲曲、倾斜斜，能级级位置

47、发发生变化化，发光光波长发发生位移移；同时时由界面面电荷产产生的电电场还会会使正负负载流子子在空间间上分离离，电子子与空穴穴波函数数的交迭迭变小，使材料料的发光光效率大大大的降降低。为为了减小小极化电电场对量量子阱发发光效率率的影响响，人们们尝试通通过对LLED器器件结构构的优化化设计，调节材材料的应应力，达达到减小小极化效效应的目目的。然然而，这这些尝试试对减小小极化效效应的作作用使有有限的，避开极极化效应应的最根根本方法法是生长长非极性性面的GGaN基基材料，从面彻彻底消除除极化效效应的影影响。目目前普遍遍采用的的用于制制备非极极性GaaN基材材料的技技术途径径有两种种：（11）在-LiiAlOO2的衬底底上利用用MBEE技术生生长（111000）m面面GaNN；（22）在rr面（111022）蓝宝宝石衬底底上用MMBE，MOCCVD和和HVPPE技术术生长aa面（111200）GaaN材料料。与-LiiAlOO2相比，r面蓝蓝宝石因因其在高高温下稳稳定，且且在其上上生长的的GaNN材料背背底掺杂杂浓度低低等原因因，是一一种更有有前途的的衬底材材料，因因此r面面蓝宝石石上生长长a面GGaN成成为这一一领域的的研究热热点。通通常，人人们利用用低温GGaN14117119 或高温温AINN155 作作为缓冲冲层，在在r面蓝蓝宝石上上生长aa面G