谈GaN基材料半导体激光器的发展动态Word文档格式.docx

1、Kosicki等人报道了多晶GaN的光学吸收和真空反射率。通过光学泵浦在许多实验中发现了GaN的受激发射。Dingle等人率先报道了GaN的激射情况。众所周知，SiO2是半导体加工中常用的一种非常重要的介质材料，它还可用于GaN基激光二极管的制作。由于二氧化硅中氧对GaN光学质量的可能影响，目前有一种研究二氧化硅对GaN光学特性和电学特性影响的实际需求。最近X.C.Wang等人报道了对这一问题研究的初步结果。研究发现，SiO2可引起GaN外延层PL性能的明显退化。二次离子质谱（SIMS）测量结果表明，SiO2层中的氧可能是GaN PL强度下降的真正原因。另外还发现快速热退火（RTP）可以恢复和

2、提高PL性能。2.2 器件进展在成功地开发出蓝光和绿光LED之后，科研人员开始将研究重点转移到电注入GaN基蓝光LD的开发方面。1996年，Nichia公司首先实现了室温条件下电注入GaN基蓝光LD的脉冲工作，随后又在年底实现了室温下的连续波工作。Nichia公司的成功以及蓝光LD的巨大市场潜力致使许多大公司和科研机构纷纷加入到开发族氮化物蓝光LD的行列之中，其中Nichia公司的GaN蓝光LD在世界上居领先地位，其GaN蓝光LD室温下2mw连续工作的寿命已突破10000小时。目前制作GaN基激光器常用蓝宝石、SiC和GaN衬底。蓝宝石用作GaN基LD的衬底时存在腔镜制作和电极工艺方面的问题。

3、SiC衬底可以满足所有要求。现已成功地在SiC衬底上生长出了高质量的GaN基材料。SiC上生长的InGaN LD的室温脉冲工作和连续波工作时有报道。P型和n型电极分别制作在芯片的顶部和底部的垂直导电结构InGaN LD也已有报道。1998年三星SAIT的研究人员演示了氮化物蓝光激光器室温下的脉冲工作。三星的激光器结构是在蓝宝石衬底上生长的，但未用外延横向过生长。有源区包括一个InGaN/GaNMQW,ALK0.07Ga0.93N用作包层。利用CAIBE向下刻蚀到n型GaN层制作出了10umX800um的条带。激光器端面是利用CAIBE或解理形成，端面表面未镀膜。在1微秒脉宽、1KHz的工作电流

4、条件下测量了激光器的特性。在16.5V的工作电压下测得的阈值电流为1.6A，对应于20.3KA/cm2的阈值电流密度。高于阈值电流时，观察到了一种强烈且清晰的发射模式，中心波长为418nm。1998年Shiji Nakamura等人在蓝宝石上横向过生长的GaN上生长了InGaN多量子阱（MQW）结构激光二极管。在InGaN阱层为2时得到了1.2和2.8KA/cm2的最低阈值电流密度。InGaN MQW LD生长在去除蓝宝石后得到的独立GaN衬底上。在温室连续波应用条件下，待解理镜面的LD的输出功率高达30mW。通过将脊波导减小到2um，观察到了稳定的基横模。在50C环境温度、CW应用条件下，5

5、mW恒定输出功率下的LD寿命约为160小时。富士通继Nichia Cree Research和索尼等公司之后，宣布研制成了InGaN蓝光激光器，该激光器可在温室下CW应用。激光器结构是在SiC衬底上生长的，并且采用了垂直导电结构（p型和n型接触分别制作在晶体片的顶面和背面）。这是首次报道的垂直器件结构的CW蓝光激光器，激光器机构见图2.富士通研制的激光器是利用LP-MOVPE在6H-SiC衬底上生长的。晶体磨薄到大约100nm和形成接触后，解理晶片形成500nm的长腔。条带方向是1100，具有高反射率镀膜的解理面为（1100）。激光器芯片p侧朝上安装在管芯上。在25C脉冲应用（300ns,1K

6、Hz）下，阈值电流和阈值电压分别是84mA和12.0V，相当于506KA/cm2的阈值电流密度，这是SiC上InGaN激光器的最低值。在CW条件下，阈值电流和阈值电压分别为115mA和10.5V。峰值波长为408.2nm。器件可在高达40C下工作。且前各大公司的GaN基蓝光LD的研究水平见表1。表1 各大公司GaN基蓝光LD的研究水平汇总1998年10月，Reiko Soejima等人曾报道了SiC上制作的垂直传导结构的InGaN MQW LD在250K下的连续波工作。其阈值电流、阈值电压和阈值电流密度分别为380mA、12.6V和12KA/cm2。这些结果表明SiC衬底上的InGaN激光器前

7、途光明。Nichia公司的Shuji Nakamura最近还研制成功了大功率长寿命的InGaN MQW结构LD，在这种激光器中采用了调制掺杂应变层超晶格（MD-SLS）和外延横向过生长GaN（EL-OG）衬底，见图3.ALGaN/GaN调制掺杂应变层超晶格用作包层，替代了较厚的ALGaN层，其厚度在临界围，其目的是防止ALGaN用于减少GaN层中的线位错的数目。在这种激光器中Shuji Nakamura采用了ELOG衬底，这是因为当利用拉宝石衬底时，难于得到用于常规LD腔的解理镜面，并且蓝宝石的热导率（0.5W/cn.K）也不如GaN（1.3W/cm.K）高，不利于散掉LD产生的热。利用自动功

8、率控制器将每面功率控制为5mW的稳定输出功率，在温室下对CW工作的LD进行了寿命测试。在工作100小时以后，随着工作时间的增加，工作电流几乎仍保持不变。在工作290小时以后LD仍能继续正常工作。根据退化速度可以预计出LD的寿命。退化速度定义为dI/dt（mA/100h），式中I为LD的工作电流，t是工作时间。利用这一退化速度得到工作电流增加到LD初始工作电流的2倍时的预计寿命，这种激光器的预计寿命大约为10000小时左右，这种LD在RT、CW下的典型L-I和V-I特性如图4所示。另外Shuji Nakamura等人还在蓝宝石衬底上的ELOG上生长了InGaN多量子阱结构LD，在RT-CW工作条

9、件下，这种具有理解镜面的LD每面输出功率高达420mW。在高达100mW的输出功率下观测到了基横模。在50C的环境温度和30mW的稳定输出功率下，LD的CW工作寿命大于160小时。温度变化引起的波长漂移预计为0.06nm/K，远远小于ALInGaP LD的0.3nm/K的波长漂移值。这些长寿命、大功率、高可靠激光器的实现为GaN基激光器的商品化铺平了道路。2.3 关键技术目前-族氮化物激光二极管的主要问题包括；p型掺杂，减小位错密度，合适的激发结构，解理面、反射镜的制备，新工艺，欧姆接触，衬底和外延生长。只有解决了上述问题之后才有可能真正实现长寿命、高可靠的器件。现仅就材料生长、衬底选择、欧姆

10、接触和干法刻蚀做一简单介绍。2.3.1 材料生长高质量的GaN材料是研究开发族氮化物发光器件和电子器件以及保证器件性能和可靠性的前提条件。目前GaN的异质外延生长主要采用MOVPE、MBE和HVPE等外延技术。HVPE以GaCl3为Ga源，NH3为N源，可以在1000C左右在蓝宝石衬底上快速生长质量较好的GaN材料。其缺点是很难精确控制膜的厚度。HVPE主要用于改进MOVPE生长的LED结构以提高光效率，或改进MBE生长的LD结构，使其具有较低的串连电阻和较好的解理。MBE技术直接以Ga或Al的分子束作为族源，以NH3作N源，在衬底表面生成族氮化物。采用MBE生长GaN及异质结构材料的优点一是

11、低温生长，一般在700C左右，从而避免了扩散问题；二是生长后无需进行热处理。为了进一步提高晶体质量，正在研究以等离子体辅助增强技术激发N2,替代NH3 做N源。MBE生长族氮化物的速度较慢，可以精确控制膜厚，但对于外延层较厚的器件如LED和LD来说，生长时间过长，不能满足大规模生产的要求。MOVPE技术以族金属有机物为族源，以NH3 为N源，在高温下进行族氮化物的生长，MOVPE的生长速率适中，可以精确控制膜厚，特别适合于LED和LD的大规模生产。MOVPE技术是目前使用最多，材料和器件质量最高的生长方法。2.3.2 衬底的选择影响GaN研究的主要困难之一就是缺乏于GaN晶格匹配且热兼容的合适

12、的衬底材料。尽管人们已经认识到缺乏本体衬底是氮化物研究的主要障碍，然而因为本体生长被认为是劳而无功的事情，所以从事这方面研究的人员很少。该领域的工作人员主要研究的是在许多不同衬底上的异质外延生长。衬底的种类和质量对外延影响很大。在选择衬底时通常要考虑如下因素：尽量采用同一系统的材料作为衬底；失配度越小越好；材料的热膨胀系数相近；用于光电器件中最好寻求低阻衬底；用于微波器件中最好选取良好微波介质性质的半绝缘材料；用于激光器时，要易于解理以形成腔面。此外还要考虑到材料的尺寸和价格等问题。尽管许多材料可以或有望于GaN异质外延生长，但目前主要采用的衬底材料只有SiC和蓝宝石。蓝宝石衬底是目前使用最为

13、普遍的一种衬底材料。它具有与纤锌矿族氮化物相同的六方对称性，也是微电子研究中经常使用的衬底材料。其制备工艺成熟、价格较低、易于清理和处理，而且在高温下具有很好的稳定性，可以大尺寸稳定生长。但蓝宝石衬底本身不导电，不能制作电极，其解理较为困难，晶格常数与GaN相差15%，而且同GaN材料的热膨胀系数也存在较大的差异。目前以蓝宝石为衬底的GaN/GaInN蓝绿光LED已经实现商品化，蓝光LD也已经实现室温条件下的连续波工作。SiC是另一类非常重要的衬底材料，同蓝宝石相比，SiC本身具有蓝光发光特性，且为低阻材料，可以制作电极，其晶格常数和材料的热膨胀系数与GaN材料更为接近，并且易于解理。SiC材

14、料的缺点是价格昂贵。GaN是最为理想的衬底材料，但目前所能获得的单晶尺寸太小。最近有人提出了外延横向过生长GaN（Epitaxial Lateral Overgrowth GaN ELOG）衬底和端面开始的外延横向过生长技术（Faced Initiated Epitaxial Lateral Overgrowth FIELO）。这种技术用于生产低位错密度的GaN。目前ELOG技术已经用于蓝光LD，并获得了满意的结果。Masaru利用FIELO技术在蓝宝石衬底上成功地生长出了无裂纹且具有类镜面表面的低位错密度GaN层。通过除去蓝宝石衬底可得到独立的GaN晶片。研究表明FIELO衬底上生长的LD的

15、激射阈值总比蓝宝石衬底上生长的LD低，并且可靠性也有了显著地提高。2.3.3 欧姆接触由于GaN基器件如发光二极管、激光二极管和MESFET及HEMT的开发成功，制作电阻较低、可靠性良好的高质量欧姆接触的技术意义就显得更为重要。事实上p-GaN的高接触电阻是实现长寿命CW工作的GaN基器件的主要技术障碍之一，因此开发高质量p-GaN欧姆接触是提高器件性能的关键。对于n-GaN欧姆接触而言，广泛研究的是Ti或AlJ基金属化方法（如Al,Ti/Al，Ti/Au,Ti/Al/Ni/Au和Pd/Al）.在这些金属化方法中实现了10-310-8cm的低接触电阻，这对于光学或电子器件工作来说已足够好。然而

16、对于p-GaN欧姆接触而言，有两种主要的技术障碍使得开发器件质量欧姆接触很困难。第一种来自生长重掺杂p-GaN（1018cm-1）方面的困难。第二种是没有一种功函数大于p型GaN（约7.5eV）的适当金属。这些问题导致了接触电阻大于10-2。Trexler等人研究了p-GaN的Ni/Au和Pd/Au金属化。研究表明在900下退火15秒时，仅Cr/Au接触是欧姆接触，比接触电阻为4.110-1Jang等人利用Ni/Pt/Au金属化研究了p-GaN的欧姆接触。结果表明在Ar流动气氛下在500下退火30秒时，这种金属接触属欧姆接触，接触电阻为2.110-2Ja-Soon Jang等人报道了中等掺杂p

17、型GaNMg（31017cm-3）的低阻欧姆接触的Pt（20nm）/Ni（30nm）/Au（80nm）金属化方法。p-GaN的已淀积和退火Pt/Ni/Au接触都显示出线性的电流电压特性，说明形成了高质量的欧姆接触。在N流动气氛下在35C下退火1分钟时Ni/Pt/Au显示出了5.110-4的比接触电阻。下面的图5示出了p-GaN的Ni/Pt/Au接触的L-V特性。从图中可以看出，在350下退火1分钟进一步提高了Ni/Pt/Au接触的欧姆特性。测得的比接触电阻为5.1这是目前所报道的p-GaN接触的最低接触电阻。2.3.4干法刻蚀由于GaN的化学稳定性极高，没有可重复的湿法刻蚀剂，在室温下高质量的

18、氮化物对所有的酸均呈惰性，在热碱中腐蚀的也很慢，因此发展干法刻蚀非常重要。ATPing等人报道了利用Ar离子和HCl气体化学增速离子束刻蚀MOCVD GaN的研究情况，研究了刻蚀速率与离子束能量和衬底低温的关系。研究发现HCl气体与Cl2相比，在较低离子束能量（300eV）下刻蚀速率较低，实现了高度各向异性刻蚀分布。这表明干法刻蚀工艺适合于制作激光器的端面和镜面。采用Cl2F2及其与N2混合气体的反应离子刻蚀已有报道。这种等离子体采用射频（13.56MHz），在不锈钢/石英反应器中辉光放电，其量大的射频功率为5KW，已经成功开发了表面质量和刻蚀速率均为最佳的条件；采用纯CCl: N2=1:1，

19、压力0.46.65Pa，流量1260sccm，其最快的刻蚀速率约为20nm/分。2.4应用与前景短波长氮化物基激光器二极管现在已经走出实验室进入到实际应用阶段，它有望用作电发光显示、激光打印机、高密度激光存储煤质和光通信系统的光源。在开发蓝光LD的进程中谈论最多的应用是光学数据存储系统，但元件的首次应用却是在一个完全不同的领域光谱学。Nichia公司的LD器件应用到德国激光系统生产厂家Tuoiptics GmbHr DL100外腔二极管和校准光学器件，实现了小至1MHz的线宽，足以分辨出原子跃迁的自然线宽。尽管这是第一个利用蓝光LD的商品，但是在许多应用领域也取得了进展。通过对LD波长、系统数

20、值孔径、信号处理的改进，DVD-ROM可比CD-ROM的存储容量提高7倍。而应用蓝光LD可以大幅度增加信息的光存储密度。目前采用780nm的近红外激光，单面CD-ROM的信息记录量约为650MHz，而采用635nm或650nm的红色激光，单面DVD-ROM的信息记录量可以达到4.78GB，利用蓝光LD可将单面DVD-ROM的信息记录量提高到14GB，同时信息的寻道时间将缩短到2040ms，而目前CD-ROM的寻道时间通常为100150ms。GaN LD的迅速发展也将影响到未来的印刷业，未来打印机技术受速度、色彩、分辨率、电力消耗和多功能等多种要求的影响。蓝光LD可以满足未来打印机的要求。高输出

21、功率单模连续波GaN LD的较高功率可使打印速度提高及图像性能改善。此外GaN基蓝光LD还可应用于显示技术和光对潜通信等方面，其应用广泛，市场庞大，预计今后几年GaN基LD的市场将会达到几倍增长。GaN基LD的发展也必将带动相关行业的发展，可以说是未来经济新的增长点，因此世界许多公司都竞相投入到GaN基LD的开发与研制活动中心，氮化物基LD的前景一片光明。3 蓝宝石衬底分子束外延生长GaN薄膜的原位椭偏光谱分析目前，GaN半导体薄膜材料已成为研制高温、高功率、高速短波长光电子器件和新型微电子器件的重要材料，并已取得重大进展。但由于GaN外延层与蓝宝石衬底之间的晶格常数和热膨胀系数失配，致使在G

22、aN单晶薄膜异质外延中，产生大量的结构缺陷。特别是在分子束外延（MBE）中，产生的线位错密度高达1081010cm-2，引发多种表面结构缺陷。GaN单晶薄膜中的线位错缺陷形成的散射中心影响发光器件的性能；螺旋型线位错在其中心可形成纳米尺度的管道，这些纳米级的空洞对接触金属、掺杂剂和其他杂质形成扩散通道，严重影响器件的电学性质。因此，减少GaN单晶薄膜生长过程中产生的结构缺陷成为亟待解决的关键技术问题。MBE是制备高质量GaN薄膜的重要技术之一，特别是可原为监控生长过程，制备的薄膜材料可广泛应用于各种光电探测器和微电子器件。近几年来，通过选择优化MBE生长速度与温度，特别是在成功利用射频（RF）

23、等离子体源和电子回旋共振（ECR）微波等离子体源辅助技术之后，制备的GaN薄膜质量大幅提高，但样品的表面平整度远不及金属有机物气相外延（MOVPE）技术生长的GaN薄膜。理论分析认为，MBE生长GaN过程中产生的较高的位错密度是丘状螺旋生长的起源，而Ga原子的扩散长度较短导致表面扩散受限，可能是较高的位错密度产生的主要原因。采用衬底偏晶向法形成单原子高度台阶的邻晶面，使薄膜生长实现台阶流动（SF）模式，可抑制螺旋位错的出现得到平滑表面的薄膜。本文通过对比分析蓝宝石常规和邻晶面衬底MBE生长GaN薄膜中的线原位椭偏（SE）光谱，研究探讨了外延层中应变能释放过程和位错缺陷生成机制。3.1 椭偏光谱

24、基本原理电磁波在介质中传播时，相对介电常数代表介质中分子的极化效应。对于离子键成分占39%的GaN半导体材料，GaN分子在极化过程中总是存在损耗。电磁波在GaN材料中传播时，交变电场的作用使GaN中正负离子相对于平衡位置发生位移，部分电场能量转化为GaN晶体晶格振动能量。这种极化过程存在的能量损耗通常用相对复介电常数来描述，此时相对介电常数r为虚数，可假定r=1 +i2 ,材料的基本化学常数折射率n和消光系数K以及相对介电常数的实部1 和虚部2 都是入射光波长的函数，折射率和小光系数与复介电常数的函数关系式为光经过两种两种介质界面时的反射和透射光强与材料的光学常数相联系。就反射光谱而言，只要不

25、是在正入射情况下测量，垂直于入射面偏振的电矢量和平行于入射面偏振的电矢量其振幅反射系数不同，具体可描述为由此可见，对斜入射的偏振光，经介质表面反射后其电矢量振幅和相位都会改变。对于椭圆偏振光其反射光的振幅反射系数之比为（5）式中tan为入射面偏振的电矢量与垂直于入射面偏振的电矢量的相对振幅衰减，为反射引起的两个电矢量间的相位差。有（3）（5）式计算可得由（6）式和（7）式可知，在某一波长的入射光实验条件下，测出，和入射角就可以求出该波长下材料的折射率和消光系数。再由（1）式，（2）式即可得出被测样品在相应波长的介电常数的实部1 和虚部2 。3.2 GaN薄膜的外延生长和原位SE光谱分析利用EI

26、KO RF-MBE系统配备的椭偏光谱仪测量基于GaN薄膜生长过程中在线原位SE数据。在有效界面近似条件下，通过选用适当模型采用FastDyn数据处理运算程序进行数据拟合，获得了MBE生长GaN薄膜的基本光学常数谱。基于蓝宝石常规和邻晶面衬底MBE生长GaN薄膜原位椭偏光谱实验数据，用色散基本理论，分析外延层中应变能释放过程。图1为常规蓝宝石衬底生长1号样品生长过程原位SE图谱，图2为邻晶面蓝宝石衬底生长过程原位SE图谱。原位SE图谱显示的是所生长样品复介电函数的实部随生长时间的进化过程，从蓝宝石衬底氮化开始，逐渐上升，见图中标识A。大约生长几个单原子层后达到峰值，然后开始下降，表明GaN缓冲层

27、以层状和岛状混合模式即S-K模式开始生长。氮化物薄膜与蓝宝石衬底的晶格常数失配，在外延缓冲层中积累应变能。当应变能释放时，在沉积物与界面处的高能量激发岛形成。的下降标志着外延GaN缓冲层在氮化的蓝宝石衬底上出现第一次应变能释放过程。在这个S-K模式生长阶段，所形成的岛尺度约几十个纳米；此时SE光谱的变化与缓冲层的厚度及粗糙度相关，较长的探测光波长达到峰值较晚。如图中700nm和450nm的探测光1 出现峰值比370nm的探测光的峰值滞后。随着缓冲层的厚度增加和迁移增强外延（MEE）技术的应用缓冲层表面趋于光滑，SE谱急剧上升直到出现峰值，见图中B处；然后趋于平缓下降，缓冲层生长结束。在缓冲层升

28、温至750附近，急剧下降，如图中C处，这表明外延层出现第二次应变能释放过程。随后700nm，450nm和370nm的3种探测波长的SE光谱中急剧上升表明GaN外延层厚度的增加导致干涉效应波长为700nm和450nm的探测光随时间出现周期性振荡。而370nm波长探测光由于GaN外延层的带边吸收，使得370nm波长的探测光在生长约60min后，外延层厚度生长到约350nm时趋于平缓。对比分析两种衬底生长GaN薄膜的原位SE光谱的变化规律，发现两种衬底在氮化和缓冲层生长时都出现应变能释放弛豫过程；但两种衬底的两次应变能释放过程显著不同，尤其是第二次应变能释放时。常规蓝宝石衬底在缓冲层升温时不仅370nm探测光的谱线未出现而且700nm，450nm探测波长的谱线同步对应下降，其下降斜率远小于邻晶面衬底相应过程谱线下降的斜率，见图中标示C处。这可能就是常规蓝宝石衬底MBE外延生长GaN薄膜出现较高位错密度的机制。应变能释放不完全，使线位错缺陷弯曲，应变能的积累，出现岛状生长。结果导致外延层形成丘状螺旋结构，引起表面粗糙。这一推测可以从随后的外延层生长过程的SE图谱得到证实。由图中谱可见，从标示D开始邻晶面衬底外延层生长出现均匀光滑的因厚度变化引起的干涉峰谷谱线。而常规衬底的70