GaN基材料半導(dǎo)體激光器的發(fā)展動(dòng)態(tài)

1、PAGE PAGE - 34 -1 引言言GaN材材料的研研究與應(yīng)應(yīng)用是目目前全球球半導(dǎo)體體研究的的前沿和和熱點(diǎn)，是研制制微電子子器件、光電子子器件的的新型半半導(dǎo)體材材料，并并與SiiC、金金剛石等等半導(dǎo)體體材料一一起，被被譽(yù)為是是繼第一一代Gee、Sii半導(dǎo)體體材料、第二代代GaAAs、IInP化化合物半半導(dǎo)體材材料之后后的第三三代半導(dǎo)導(dǎo)體材料料。GaN是是極穩(wěn)定定的化合合物，又又是堅(jiān)硬硬的高熔熔點(diǎn)材料料，熔點(diǎn)點(diǎn)約為117000，GaaN具有有高的電電離度，在族化合合物中是是最高的的（0.5或00.433）。在在大氣壓壓力下，GaNN晶體一一般是六六方纖鋅鋅礦結(jié)構(gòu)構(gòu)。它在在一個(gè)元元胞中有有4

2、個(gè)原原子，原原子體積積大約為為GaAAs的一一半。因因?yàn)槠溆灿捕雀?，又是一一種良好好的涂層層保護(hù)材材料。在室溫下下，GaaN不溶溶于水、酸和堿堿，而在在熱的堿堿溶液中中以非常常緩慢的的速度溶溶解。NNaOHH、H22SO44和H33PO44能較快快地腐蝕蝕質(zhì)量差差的GaaN，可可用于這這些質(zhì)量量不高的的GaNN晶體的的缺陷檢檢測(cè)。GGaN在在HCLL或H22氣下，在高溫溫下呈現(xiàn)現(xiàn)不穩(wěn)定定特性，而在NN2氣下下最為穩(wěn)穩(wěn)定。但是GaaN材料料仍然存存在一些些問(wèn)題。如在用用異質(zhì)外外延（以以藍(lán)寶石石和SiiC作為為 HYPERLINK /view/1048511.htm 襯底）技技術(shù)生長(zhǎng)長(zhǎng)出的GGaN

3、單單晶，還還不太令令人滿意意（這有有礙于GGaN器器件的發(fā)發(fā)展），例如位位錯(cuò)密度度達(dá)到了了108810010/cm22（雖然然藍(lán)寶石石和SiiC與GGaN的的晶體結(jié)結(jié)構(gòu)相似似，但仍仍然有比比較大的的晶格失失配和熱熱失配）；未摻摻雜GaaN的室室溫背景景載流子子（電子子）濃度度高達(dá)110177cm-3（可可能與NN空位、替位式式Si、替位式式O等有有關(guān)），并呈現(xiàn)現(xiàn)出n型型導(dǎo)電；雖然容容易實(shí)現(xiàn)現(xiàn)n型摻摻雜（摻摻Si可可得到電電子濃度度10115110200/cmm3、室室溫遷移移率3300 cm22/ VV.s 的n型型GaNN），但但p型摻摻雜水平平太低（主要是是摻Mgg），所所得空穴穴濃度只只

4、有1001710118/ccm3，遷移率率100cm22/V.s，摻摻雜效率率只有00.1%1%。本文文介紹的的是藍(lán)寶寶石襯底底上生長(zhǎng)長(zhǎng)的氮化化鎵基激激光器的的研制和和發(fā)展概概況以及及近期研研究熱點(diǎn)點(diǎn)作扼要要介紹。2 材料料特性及及器件應(yīng)應(yīng)用2.1 材料特特性GaN是是目前為為止所有有-族氮化化物中研研究最多多的材料料，但與與常用的的Si和和GaAAs材料料相比，對(duì)GaaN的了了解還是是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不不夠的。過(guò)去較較大的本本底n型型載流子子濃度，缺乏合合適的襯襯底材料料，GaaNp型型摻雜的的困難及及加工困困難使研研究人員員屢屢受受挫。人人們對(duì)GGaN感感興趣的的一個(gè)主主要原因因是它作作為藍(lán)光光、紫光

5、光發(fā)射器器件的應(yīng)應(yīng)用潛力力。正是是由于這這個(gè)原因因，許多多GaNN的研究究工作致致力于測(cè)測(cè)定GaaN的光光學(xué)特性性。 Murraskka和TTiettjiaan首先先精確測(cè)測(cè)出了GGaN的的直接帶帶隙為33.399eV。此后不不久，PPankkovee報(bào)道了了低溫GGaN PL光光譜。隨隨后，DDinggle等等人對(duì)高高質(zhì)量GGaN進(jìn)進(jìn)行了PPL和陰陰極發(fā)光光光譜測(cè)測(cè)量，還還有一些些人進(jìn)行行了發(fā)射射、反射射和吸收收測(cè)量。Kossickki等人人報(bào)道了了多晶GGaN的的光學(xué)吸吸收和真真空反射射率。通通過(guò)光學(xué)學(xué)泵浦在在許多實(shí)實(shí)驗(yàn)中發(fā)發(fā)現(xiàn)了GGaN的的受激發(fā)發(fā)射。DDinggle等等人率先先報(bào)道了了

6、GaNN的激射射情況。眾所周知知，SiiO2是半導(dǎo)導(dǎo)體加工工中常用用的一種種非常重重要的介介質(zhì)材料料，它還還可用于于GaNN基激光光二極管管的制作作。由于于二氧化化硅中氧氧對(duì)GaaN光學(xué)學(xué)質(zhì)量的的可能影影響，目目前有一一種研究究二氧化化硅對(duì)GGaN光光學(xué)特性性和電學(xué)學(xué)特性影影響的實(shí)實(shí)際需求求。最近近X.CC.Waang等等人報(bào)道道了對(duì)這這一問(wèn)題題研究的的初步結(jié)結(jié)果。研研究發(fā)現(xiàn)現(xiàn)，SiiO2可引起起GaNN外延層層PL性性能的明明顯退化化。二次次離子質(zhì)質(zhì)譜(SSIMSS)測(cè)量量結(jié)果表表明，SSiO22層中的的氧可能能是GaaN PPL強(qiáng)度度下降的的真正原原因。另另外還發(fā)發(fā)現(xiàn)快速速熱退火火（RTT

7、P）可可以恢復(fù)復(fù)和提高高PL性性能。2.2 器件進(jìn)進(jìn)展在成功地地開發(fā)出出藍(lán)光和和綠光LLED之之后，科科研人員員開始將將研究重重點(diǎn)轉(zhuǎn)移移到電注注入GaaN基藍(lán)藍(lán)光LDD的開發(fā)發(fā)方面。19996年，Nicchiaa公司首首先實(shí)現(xiàn)現(xiàn)了室溫溫條件下下電注入入GaNN基藍(lán)光光LD的的脈沖工工作，隨隨后又在在年底實(shí)實(shí)現(xiàn)了室室溫下的的連續(xù)波波工作。Nicchiaa公司的的成功以以及藍(lán)光光LD的的巨大市市場(chǎng)潛力力致使許許多大公公司和科科研機(jī)構(gòu)構(gòu)紛紛加加入到開開發(fā)族氮化化物藍(lán)光光LD的的行列之之中，其其中Niichiia公司司的GaaN藍(lán)光光LD在在世界上上居領(lǐng)先先地位，其GaaN藍(lán)光光LD室室溫下22mw連

8、連續(xù)工作作的壽命命已突破破100000小小時(shí)。目前制作作GaNN基激光光器常用用藍(lán)寶石石、SiiC和GGaN襯襯底。藍(lán)藍(lán)寶石用用作GaaN基LLD的襯襯底時(shí)存存在腔鏡鏡制作和和電極工工藝方面面的問(wèn)題題。SiiC襯底底可以滿滿足所有有要求?，F(xiàn)已成成功地在在SiCC襯底上上生長(zhǎng)出出了高質(zhì)質(zhì)量的GGaN基基材料。SiCC上生長(zhǎng)長(zhǎng)的InnGaNN LDD的室溫溫脈沖工工作和連連續(xù)波工工作時(shí)有有報(bào)道。P型和nn型電極極分別制制作在芯芯片的頂頂部和底底部的垂垂直導(dǎo)電電結(jié)構(gòu)IInGaaN LLD也已已有報(bào)道道。19988年三星星SAIIT的研研究人員員演示了了氮化物物藍(lán)光激激光器室室溫下的的脈沖工工作。三三

9、星的激激光器結(jié)結(jié)構(gòu)是在在藍(lán)寶石石襯底上上生長(zhǎng)的的，但未未用外延延橫向過(guò)過(guò)生長(zhǎng)。有源區(qū)區(qū)包括一一個(gè)InnGaNN/GaaNMQQW,AALK00.077Ga0.93NN用作包包層。利利用CAAIBEE向下刻刻蝕到nn型GaaN層制制作出了了10uumX8800uum的條條帶。激激光器端端面是利利用CAAIBEE或解理理形成，端面表表面未鍍鍍膜。在在1微秒秒脈寬、1KHHz的工工作電流流條件下下測(cè)量了了激光器器的特性性。在116.55V的工工作電壓壓下測(cè)得得的閾值值電流為為1.66A，對(duì)對(duì)應(yīng)于220.33KA/cm22的閾值值電流密密度。高高于閾值值電流時(shí)時(shí)，觀察察到了一一種強(qiáng)烈烈且清晰晰的發(fā)射射

10、模式，中心波波長(zhǎng)為4418nnm。19988年Shhijii Naakammuraa等人在在藍(lán)寶石石上橫向向過(guò)生長(zhǎng)長(zhǎng)的GaaN上生生長(zhǎng)了IInGaaN多量量子阱(MQWW)結(jié)構(gòu)構(gòu)激光二二極管。在InnGaNN阱層為為2時(shí)得得到了11.2和和2.88KA/cm22的最低低閾值電電流密度度。InnGaNN MQQW LLD生長(zhǎng)長(zhǎng)在去除除藍(lán)寶石石后得到到的獨(dú)立立GaNN襯底上上。在溫溫室連續(xù)續(xù)波應(yīng)用用條件下下，待解解理鏡面面的LDD的輸出出功率高高達(dá)300mW。通過(guò)將將脊波導(dǎo)導(dǎo)減小到到2umm，觀察察到了穩(wěn)穩(wěn)定的基基橫模。在500C環(huán)境境溫度、CW應(yīng)應(yīng)用條件件下，55mW恒恒定輸出出功率下下的LDD

11、壽命約約為1660小時(shí)時(shí)。富士通繼繼Nicchiaa Crree Ressearrch和和索尼等等公司之之后，宣宣布研制制成了IInGaaN藍(lán)光光激光器器，該激激光器可可在溫室室下CWW應(yīng)用。激光器器結(jié)構(gòu)是是在SiiC襯底底上生長(zhǎng)長(zhǎng)的，并并且采用用了垂直直導(dǎo)電結(jié)結(jié)構(gòu)（pp型和nn型接觸觸分別制制作在晶晶體片的的頂面和和背面）。這是是首次報(bào)報(bào)道的垂垂直器件件結(jié)構(gòu)的的CW藍(lán)藍(lán)光激光光器，激激光器機(jī)機(jī)構(gòu)見圖圖2.富富士通研研制的激激光器是是利用LLP-MMOVPPE在66H-SSiC襯襯底上生生長(zhǎng)的。晶體磨磨薄到大大約1000nmm和形成成接觸后后，解理理晶片形形成5000nmm的長(zhǎng)腔腔。條帶帶方向

12、是是11100，具有有高反射射率鍍膜膜的解理理面為（11000）。激光器器芯片pp側(cè)朝上上安裝在在管芯上上。在225C脈脈沖應(yīng)用用（3000nss,1KKHz）下，閾閾值電流流和閾值值電壓分分別是884mAA和122.0VV，相當(dāng)當(dāng)于5006KAA/cmm2的閾值值電流密密度，這這是SiiC上IInGaaN激光光器的最最低值。在CWW條件下下，閾值值電流和和閾值電電壓分別別為1115mAA和100.5VV。峰值值波長(zhǎng)為為4088.2nnm。器器件可在在高達(dá)440C下下工作。且前各各大公司司的GaaN基藍(lán)藍(lán)光LDD的研究究水平見見表1。表1 各大公公司GaaN基藍(lán)藍(lán)光LDD的研究究水平匯匯總19

13、988年100月，RReikko SSoejjimaa等人曾曾報(bào)道了了SiCC上制作作的垂直直傳導(dǎo)結(jié)結(jié)構(gòu)的IInGaaN MMQW LD在在2500K下的的連續(xù)波波工作。其閾值值電流、閾值電電壓和閾閾值電流流密度分分別為3380mmA、112.66V和112KAA/cmm2。這些些結(jié)果表表明SiiC襯底底上的IInGaaN激光光器前途途光明。Nichhia公公司的SShujji NNakaamurra最近近還研制制成功了了大功率率長(zhǎng)壽命命的InnGaNN MQQW結(jié)構(gòu)構(gòu)LD，在這種種激光器器中采用用了調(diào)制制摻雜應(yīng)應(yīng)變層超超晶格(MD-SLSS)和外外延橫向向過(guò)生長(zhǎng)長(zhǎng)GaNN（ELL-OGG）襯

14、底底，見圖圖3.ALGaaN/GGaN調(diào)調(diào)制摻雜雜應(yīng)變層層超晶格格用作包包層，替替代了較較厚的AALGaaN層，其厚度度在臨界界范圍內(nèi)內(nèi)，其目目的是防防止ALLGaNN用于減減少GaaN層中中的線位位錯(cuò)的數(shù)數(shù)目。在在這種激激光器中中Shuuji Nakkamuura采采用了EELOGG襯底，這是因因?yàn)楫?dāng)利利用拉寶寶石襯底底時(shí)，難難于得到到用于常常規(guī)LDD腔的解解理鏡面面，并且且藍(lán)寶石石的熱導(dǎo)導(dǎo)率（00.5WW/cnn.K）也不如如GaNN（1.3W/cm.K）高高，不利利于散掉掉LD產(chǎn)產(chǎn)生的熱熱。利用用自動(dòng)功功率控制制器將每每面功率率控制為為5mWW的穩(wěn)定定輸出功功率，在在溫室下下對(duì)CWW工作

15、的的LD進(jìn)進(jìn)行了壽壽命測(cè)試試。在工工作1000小時(shí)時(shí)以后，隨著工工作時(shí)間間的增加加，工作作電流幾幾乎仍保保持不變變。在工工作2990小時(shí)時(shí)以后LLD仍能能繼續(xù)正正常工作作。根據(jù)據(jù)退化速速度可以以預(yù)計(jì)出出LD的的壽命。退化速速度定義義為dII/dtt(mAA/1000h)，式中中I為L(zhǎng)LD的工工作電流流，t是是工作時(shí)時(shí)間。利利用這一一退化速速度得到到工作電電流增加加到LDD初始工工作電流流的2倍倍時(shí)的預(yù)預(yù)計(jì)壽命命，這種種激光器器的預(yù)計(jì)計(jì)壽命大大約為1100000小時(shí)時(shí)左右，這種LLD在RRT、CCW下的的典型LL-I和和V-II特性如如圖4所所示。另另外Shhujii Naakammuraa等人

16、還還在藍(lán)寶寶石襯底底上的EELOGG上生長(zhǎng)長(zhǎng)了InnGaNN多量子子阱結(jié)構(gòu)構(gòu)LD，在RTT-CWW工作條條件下，這種具具有理解解鏡面的的LD每每面輸出出功率高高達(dá)4220mWW。在高高達(dá)1000mWW的輸出出功率下下觀測(cè)到到了基橫橫模。在在50CC的環(huán)境境溫度和和30mmW的穩(wěn)穩(wěn)定輸出出功率下下，LDD的CWW工作壽壽命大于于1600小時(shí)。溫度變變化引起起的波長(zhǎng)長(zhǎng)漂移預(yù)預(yù)計(jì)為00.066nm/K，遠(yuǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于于ALIInGaaP LLD的00.3nnm/KK的波長(zhǎng)長(zhǎng)漂移值值。這些些長(zhǎng)壽命命、大功功率、高高可靠激激光器的的實(shí)現(xiàn)為為GaNN基激光光器的商商品化鋪鋪平了道道路。2.3 關(guān)鍵技技術(shù)目前-

17、族氮化化物激光光二極管管的主要要問(wèn)題包包括；pp型摻雜雜，減小小位錯(cuò)密密度，合合適的激激發(fā)結(jié)構(gòu)構(gòu)，解理理面、反反射鏡的的制備，新工藝藝，歐姆姆接觸，襯底和和外延生生長(zhǎng)。只只有解決決了上述述問(wèn)題之之后才有有可能真真正實(shí)現(xiàn)現(xiàn)長(zhǎng)壽命命、高可可靠的器器件?，F(xiàn)現(xiàn)僅就材材料生長(zhǎng)長(zhǎng)、襯底底選擇、歐姆接接觸和干干法刻蝕蝕做一簡(jiǎn)簡(jiǎn)單介紹紹。2.3.1 材材料生長(zhǎng)長(zhǎng)高質(zhì)量的的GaNN材料是是研究開開發(fā)族氮化化物發(fā)光光器件和和電子器器件以及及保證器器件性能能和可靠靠性的前前提條件件。目前前GaNN的異質(zhì)質(zhì)外延生生長(zhǎng)主要要采用MMOVPPE、MMBE和和HVPPE等外外延技術(shù)術(shù)。HVVPE以以GaCCl3為Gaa源，

18、NNH3為N源源，可以以在10000CC左右在在藍(lán)寶石石襯底上上快速生生長(zhǎng)質(zhì)量量較好的的GaNN材料。其缺點(diǎn)點(diǎn)是很難難精確控控制膜的的厚度。HVPPE主要要用于改改進(jìn)MOOVPEE生長(zhǎng)的的LEDD結(jié)構(gòu)以以提高光光效率，或改進(jìn)進(jìn)MBEE生長(zhǎng)的的LD結(jié)結(jié)構(gòu)，使使其具有有較低的的串連電電阻和較較好的解解理。MBE技技術(shù)直接接以Gaa或All的分子子束作為為族源，以NHH3作N源源，在襯襯底表面面生成族氮化化物。采采用MBBE生長(zhǎng)長(zhǎng)GaNN及異質(zhì)質(zhì)結(jié)構(gòu)材材料的優(yōu)優(yōu)點(diǎn)一是是低溫生生長(zhǎng)，一一般在7700CC左右，從而避避免了擴(kuò)擴(kuò)散問(wèn)題題；二是是生長(zhǎng)后后無(wú)需進(jìn)進(jìn)行熱處處理。為為了進(jìn)一一步提高高晶體質(zhì)質(zhì)量，正

19、正在研究究以等離離子體輔輔助增強(qiáng)強(qiáng)技術(shù)激激發(fā)N22,替代代NH33 做NN源。MMBE生生長(zhǎng)族氮化化物的速速度較慢慢，可以以精確控控制膜厚厚，但對(duì)對(duì)于外延延層較厚厚的器件件如LEED和LLD來(lái)說(shuō)說(shuō)，生長(zhǎng)長(zhǎng)時(shí)間過(guò)過(guò)長(zhǎng)，不不能滿足足大規(guī)模模生產(chǎn)的的要求。MOVVPE技技術(shù)以族金屬屬有機(jī)物物為族源，以NHH3 為NN源，在在高溫下下進(jìn)行族氮化化物的生生長(zhǎng)，MMOVPPE的生生長(zhǎng)速率率適中，可以精精確控制制膜厚，特別適適合于LLED和和LD的的大規(guī)模模生產(chǎn)。MOVVPE技技術(shù)是目目前使用用最多，材料和和器件質(zhì)質(zhì)量最高高的生長(zhǎng)長(zhǎng)方法。2.3.2 襯襯底的選選擇影響GaaN研究究的主要要困難之之一就是是缺

20、乏于于GaNN晶格匹匹配且熱熱兼容的的合適的的襯底材材料。盡盡管人們們已經(jīng)認(rèn)認(rèn)識(shí)到缺缺乏本體體襯底是是氮化物物研究的的主要障障礙，然然而因?yàn)闉楸倔w生生長(zhǎng)被認(rèn)認(rèn)為是勞勞而無(wú)功功的事情情，所以以從事這這方面研研究的人人員很少少。該領(lǐng)領(lǐng)域的工工作人員員主要研研究的是是在許多多不同襯襯底上的的異質(zhì)外外延生長(zhǎng)長(zhǎng)。襯底底的種類類和質(zhì)量量對(duì)外延延影響很很大。在在選擇襯襯底時(shí)通通常要考考慮如下下因素：盡量采采用同一一系統(tǒng)的的材料作作為襯底底；失配配度越小小越好；材料的的熱膨脹脹系數(shù)相相近；用用于光電電器件中中最好尋尋求低阻阻襯底；用于微微波器件件中最好好選取良良好微波波介質(zhì)性性質(zhì)的半半絕緣材材料；用用于激光光

21、器時(shí)，要易于于解理以以形成腔腔面。此此外還要要考慮到到材料的的尺寸和和價(jià)格等等問(wèn)題。盡管許多多材料可可以或有有望于GGaN異異質(zhì)外延延生長(zhǎng)，但目前前主要采采用的襯襯底材料料只有SSiC和和藍(lán)寶石石。藍(lán)寶寶石襯底底是目前前使用最最為普遍遍的一種種襯底材材料。它它具有與與纖鋅礦礦族氮化化物相同同的六方方對(duì)稱性性，也是是微電子子研究中中經(jīng)常使使用的襯襯底材料料。其制制備工藝藝成熟、價(jià)格較較低、易易于清理理和處理理，而且且在高溫溫下具有有很好的的穩(wěn)定性性，可以以大尺寸寸穩(wěn)定生生長(zhǎng)。但但藍(lán)寶石石襯底本本身不導(dǎo)導(dǎo)電，不不能制作作電極，其解理理較為困困難，晶晶格常數(shù)數(shù)與GaaN相差差15%，而且且同GaaN

22、材料料的熱膨膨脹系數(shù)數(shù)也存在在較大的的差異。目前以以藍(lán)寶石石為襯底底的GaaN/GGaInnN藍(lán)綠綠光LEED已經(jīng)經(jīng)實(shí)現(xiàn)商商品化，藍(lán)光LLD也已已經(jīng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)室溫條條件下的的連續(xù)波波工作。SiC是是另一類類非常重重要的襯襯底材料料，同藍(lán)藍(lán)寶石相相比，SSiC本本身具有有藍(lán)光發(fā)發(fā)光特性性，且為為低阻材材料，可可以制作作電極，其晶格格常數(shù)和和材料的的熱膨脹脹系數(shù)與與GaNN材料更更為接近近，并且且易于解解理。SSiC材材料的缺缺點(diǎn)是價(jià)價(jià)格昂貴貴。GaN是是最為理理想的襯襯底材料料，但目目前所能能獲得的的單晶尺尺寸太小小。最近近有人提提出了外外延橫向向過(guò)生長(zhǎng)長(zhǎng)GaNN（Eppitaaxiaal LLat

23、eerall Ovverggrowwth GaNN ELLOG）襯底和和端面開開始的外外延橫向向過(guò)生長(zhǎng)長(zhǎng)技術(shù)（Facced Iniitiaatedd Eppitaaxiaal LLateerall Ovverggrowwth FIEELO）。這種種技術(shù)用用于生產(chǎn)產(chǎn)低位錯(cuò)錯(cuò)密度的的GaNN。目前前ELOOG技術(shù)術(shù)已經(jīng)用用于藍(lán)光光LD，并獲得得了滿意意的結(jié)果果。Maasarru利用用FIEELO技技術(shù)在藍(lán)藍(lán)寶石襯襯底上成成功地生生長(zhǎng)出了了無(wú)裂紋紋且具有有類鏡面面表面的的低位錯(cuò)錯(cuò)密度GGaN層層。通過(guò)過(guò)除去藍(lán)藍(lán)寶石襯襯底可得得到獨(dú)立立的GaaN晶片片。研究究表明FFIELLO襯底底上生長(zhǎng)長(zhǎng)的LDD的

24、激射射閾值總總比藍(lán)寶寶石襯底底上生長(zhǎng)長(zhǎng)的LDD低，并并且可靠靠性也有有了顯著著地提高高。2.3.3 歐歐姆接觸觸由于GaaN基器器件如發(fā)發(fā)光二極極管、激激光二極極管和MMESFFET及及HEMMT的開開發(fā)成功功，制作作電阻較較低、可可靠性良良好的高高質(zhì)量歐歐姆接觸觸的技術(shù)術(shù)意義就就顯得更更為重要要。事實(shí)實(shí)上p-GaNN的高接接觸電阻阻是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)長(zhǎng)壽命命CW工工作的GGaN基基器件的的主要技技術(shù)障礙礙之一，因此開開發(fā)高質(zhì)質(zhì)量p-GaNN歐姆接接觸是提提高器件件性能的的關(guān)鍵。對(duì)于n-GaNN歐姆接接觸而言言，廣泛泛研究的的是Tii或AllJ基金金屬化方方法（如如Al,Ti/Al，Ti/Au,Ti/A

25、l/Ni/Au和和Pd/Al）.在這這些金屬屬化方法法中實(shí)現(xiàn)現(xiàn)了100-3110-88cmm的低接接觸電阻阻，這對(duì)對(duì)于光學(xué)學(xué)或電子子器件工工作來(lái)說(shuō)說(shuō)已足夠夠好。然然而對(duì)于于p-GGaN歐歐姆接觸觸而言，有兩種種主要的的技術(shù)障障礙使得得開發(fā)器器件質(zhì)量量歐姆接接觸很困困難。第第一種來(lái)來(lái)自生長(zhǎng)長(zhǎng)重?fù)诫s雜p-GGaN（10018cmm-1）方方面的困困難。第第二種是是沒(méi)有一一種功函函數(shù)大于于p型GGaN（約7.5eVV）的適適當(dāng)金屬屬。這些些問(wèn)題導(dǎo)導(dǎo)致了接接觸電阻阻大于110-22cmm。Trrexller等等人研究究了p-GaNN的Nii/Auu和Pdd/Auu金屬化化。研究究表明在在9000下退火

26、火15秒秒時(shí)，僅僅Cr/Au接接觸是歐歐姆接觸觸，比接接觸電阻阻為4.110-11cmm。Jaang等等人利用用Ni/Pt/Au金金屬化研研究了pp-GaaN的歐歐姆接觸觸。結(jié)果果表明在在Ar流流動(dòng)氣氛氛下在5500下退火火30秒秒時(shí)，這這種金屬屬接觸屬屬歐姆接接觸，接接觸電阻阻為2.110-22cmm。Ja-SSoonn Jaang等等人報(bào)道道了中等等摻雜pp型GaaNMg（310177cm-33）的低低阻歐姆姆接觸的的Pt(20nnm)/Ni(30nnm)/Au(80nnm)金金屬化方方法。pp-GaaN的已已淀積和和退火PPt/NNi/AAu接觸觸都顯示示出線性性的電流流電壓特特性，說(shuō)說(shuō)

27、明形成成了高質(zhì)質(zhì)量的歐歐姆接觸觸。在NN流動(dòng)氣氣氛下在在35CC下退火火1分鐘鐘時(shí)Nii/Ptt/Auu顯示出出了5.110-44cmm的比接接觸電阻阻。下面面的圖55示出了了p-GGaN的的Ni/Pt/Au接接觸的LL-V特特性。從從圖中可可以看出出，在3350下退火火1分鐘鐘進(jìn)一步步提高了了Ni/Pt/Au接接觸的歐歐姆特性性。測(cè)得得的比接接觸電阻阻為5.110-44cmm。這是是目前所所報(bào)道的的p-GGaN接接觸的最最低接觸觸電阻。2.3.4干法法刻蝕由于GaaN的化化學(xué)穩(wěn)定定性極高高，沒(méi)有有可重復(fù)復(fù)的濕法法刻蝕劑劑，在室室溫下高高質(zhì)量的的氮化物物對(duì)所有有的酸均均呈惰性性，在熱熱堿中腐腐

28、蝕的也也很慢，因此發(fā)發(fā)展干法法刻蝕非非常重要要。ATPinng等人人報(bào)道了了利用AAr離子子和HCCl氣體體化學(xué)增增速離子子束刻蝕蝕MOCCVD GaNN的研究究情況，研究了了刻蝕速速率與離離子束能能量和襯襯底低溫溫的關(guān)系系。研究究發(fā)現(xiàn)HHCl氣氣體與CCl2相比，在較低低離子束束能量（3000eV）下刻蝕蝕速率較較低，實(shí)實(shí)現(xiàn)了高高度各向向異性刻刻蝕分布布。這表表明干法法刻蝕工工藝適合合于制作作激光器器的端面面和鏡面面。采用Cll2F2及其與與N2混合氣氣體的反反應(yīng)離子子刻蝕已已有報(bào)道道。這種種等離子子體采用用射頻（13.56MMHz），在不不銹鋼/石英反反應(yīng)器中中輝光放放電，其其量大的的射頻

29、功功率為55KW，已經(jīng)成成功開發(fā)發(fā)了表面面質(zhì)量和和刻蝕速速率均為為最佳的的條件；采用純純CCll: NN2=1:1，壓壓力0.466.655Pa，流量112660scccm，其最快快的刻蝕蝕速率約約為200nm/分。2.4應(yīng)應(yīng)用與前前景短波長(zhǎng)氮氮化物基基激光器器二極管管現(xiàn)在已已經(jīng)走出出實(shí)驗(yàn)室室進(jìn)入到到實(shí)際應(yīng)應(yīng)用階段段，它有有望用作作電發(fā)光光顯示、激光打打印機(jī)、高密度度激光存存儲(chǔ)煤質(zhì)質(zhì)和光通通信系統(tǒng)統(tǒng)的光源源。在開開發(fā)藍(lán)光光LD的的進(jìn)程中中談?wù)撟钭疃嗟膽?yīng)應(yīng)用是光光學(xué)數(shù)據(jù)據(jù)存儲(chǔ)系系統(tǒng)，但但元件的的首次應(yīng)應(yīng)用卻是是在一個(gè)個(gè)完全不不同的領(lǐng)領(lǐng)域光譜學(xué)學(xué)。Niichiia公司司的LDD器件應(yīng)應(yīng)用到德德國(guó)激

30、光光系統(tǒng)生生產(chǎn)廠家家Tuooiptticss GmmbHrr DLL1000外腔二二極管和和校準(zhǔn)光光學(xué)器件件，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)了小至至1MHHz的線線寬，足足以分辨辨出原子子躍遷的的自然線線寬。盡盡管這是是第一個(gè)個(gè)利用藍(lán)藍(lán)光LDD的商品品，但是是在許多多應(yīng)用領(lǐng)領(lǐng)域也取取得了進(jìn)進(jìn)展。通過(guò)對(duì)LLD波長(zhǎng)長(zhǎng)、系統(tǒng)統(tǒng)數(shù)值孔孔徑、信信號(hào)處理理的改進(jìn)進(jìn)，DVVD-RROM可可比CDD-ROOM的存存儲(chǔ)容量量提高77倍。而而應(yīng)用藍(lán)藍(lán)光LDD可以大大幅度增增加信息息的光存存儲(chǔ)密度度。目前前采用7780nnm的近近紅外激激光，單單面CDD-ROOM的信信息記錄錄量約為為6500MHzz，而采采用6335nmm或6550nm

31、m的紅色色激光，單面DDVD-ROMM的信息息記錄量量可以達(dá)達(dá)到4.78GGB，利利用藍(lán)光光LD可可將單面面DVDD-ROOM的信信息記錄錄量提高高到144GB，同時(shí)信信息的尋尋道時(shí)間間將縮短短到200400ms，而目前前CD-ROMM的尋道道時(shí)間通通常為11001500ms。GaN LD的的迅速發(fā)發(fā)展也將將影響到到未來(lái)的的印刷業(yè)業(yè)，未來(lái)來(lái)打印機(jī)機(jī)技術(shù)受受速度、色彩、分辨率率、電力力消耗和和多功能能等多種種要求的的影響。藍(lán)光LLD可以以滿足未未來(lái)打印印機(jī)的要要求。高高輸出功功率單模模連續(xù)波波GaNN LDD的較高高功率可可使打印印速度提提高及圖圖像性能能改善。此外GaaN基藍(lán)藍(lán)光LDD還可應(yīng)應(yīng)

32、用于顯顯示技術(shù)術(shù)和光對(duì)對(duì)潛通信信等方面面，其應(yīng)應(yīng)用廣泛泛，市場(chǎng)場(chǎng)龐大，預(yù)計(jì)今今后幾年年GaNN基LDD的市場(chǎng)場(chǎng)將會(huì)達(dá)達(dá)到幾倍倍增長(zhǎng)。GaNN基LDD的發(fā)展展也必將將帶動(dòng)相相關(guān)行業(yè)業(yè)的發(fā)展展，可以以說(shuō)是未未來(lái)經(jīng)濟(jì)濟(jì)新的增增長(zhǎng)點(diǎn)，因此世世界許多多公司都都競(jìng)相投投入到GGaN基基LD的的開發(fā)與與研制活活動(dòng)中心心，氮化化物基LLD的前前景一片片光明。3 藍(lán)寶寶石襯底底分子束束外延生生長(zhǎng)GaaN薄膜膜的原位位橢偏光光譜分析析目前，GGaN半半導(dǎo)體薄薄膜材料料已成為為研制高高溫、高高功率、高速短短波長(zhǎng)光光電子器器件和新新型微電電子器件件的重要要材料，并已取取得重大大進(jìn)展。但由于于GaNN外延層層與藍(lán)寶寶石

33、襯底底之間的的晶格常常數(shù)和熱熱膨脹系系數(shù)失配配，致使使在GaaN單晶晶薄膜異異質(zhì)外延延中，產(chǎn)產(chǎn)生大量量的結(jié)構(gòu)構(gòu)缺陷。特別是是在分子子束外延延（MBBE）中中，產(chǎn)生生的線位位錯(cuò)密度度高達(dá)110810010cmm-2，引引發(fā)多種種表面結(jié)結(jié)構(gòu)缺陷陷。GaaN單晶晶薄膜中中的線位位錯(cuò)缺陷陷形成的的散射中中心影響響發(fā)光器器件的性性能；螺螺旋型線線位錯(cuò)在在其中心心可形成成納米尺尺度的管管道，這這些納米米級(jí)的空空洞對(duì)接接觸金屬屬、摻雜雜劑和其其他雜質(zhì)質(zhì)形成擴(kuò)擴(kuò)散通道道，嚴(yán)重重影響器器件的電電學(xué)性質(zhì)質(zhì)。因此此，減少少GaNN單晶薄薄膜生長(zhǎng)長(zhǎng)過(guò)程中中產(chǎn)生的的結(jié)構(gòu)缺缺陷成為為亟待解解決的關(guān)關(guān)鍵技術(shù)術(shù)問(wèn)題。MBE是

34、是制備高高質(zhì)量GGaN薄薄膜的重重要技術(shù)術(shù)之一，特別是是可原為為監(jiān)控生生長(zhǎng)過(guò)程程，制備備的薄膜膜材料可可廣泛應(yīng)應(yīng)用于各各種光電電探測(cè)器器和微電電子器件件。近幾幾年來(lái)，通過(guò)選選擇優(yōu)化化MBEE生長(zhǎng)速速度與溫溫度，特特別是在在成功利利用射頻頻（RFF）等離離子體源源和電子子回旋共共振（EECR）微波等等離子體體源輔助助技術(shù)之之后，制制備的GGaN薄薄膜質(zhì)量量大幅提提高，但但樣品的的表面平平整度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及金金屬有機(jī)機(jī)物氣相相外延（MOVVPE）技術(shù)生生長(zhǎng)的GGaN薄薄膜。理理論分析析認(rèn)為，MBEE生長(zhǎng)GGaN過(guò)過(guò)程中產(chǎn)產(chǎn)生的較較高的位位錯(cuò)密度度是丘狀狀螺旋生生長(zhǎng)的起起源，而而Ga原原子的擴(kuò)擴(kuò)散長(zhǎng)度度較

35、短導(dǎo)導(dǎo)致表面面擴(kuò)散受受限，可可能是較較高的位位錯(cuò)密度度產(chǎn)生的的主要原原因。采采用襯底底偏晶向向法形成成單原子子高度臺(tái)臺(tái)階的鄰鄰晶面，使薄膜膜生長(zhǎng)實(shí)實(shí)現(xiàn)臺(tái)階階流動(dòng)（SF）模式，可抑制制螺旋位位錯(cuò)的出出現(xiàn)得到到平滑表表面的薄薄膜。本本文通過(guò)過(guò)對(duì)比分分析藍(lán)寶寶石常規(guī)規(guī)和鄰晶晶面襯底底MBEE生長(zhǎng)GGaN薄薄膜中的的線原位位橢偏(SE)光譜，研究探探討了外外延層中中應(yīng)變能能釋放過(guò)過(guò)程和位位錯(cuò)缺陷陷生成機(jī)機(jī)制。3.1 橢偏光光譜基本本原理電磁波在在介質(zhì)中中傳播時(shí)時(shí)，相對(duì)對(duì)介電常常數(shù)代表表介質(zhì)中中分子的的極化效效應(yīng)。對(duì)對(duì)于離子子鍵成分分占399%的GGaN半半導(dǎo)體材材料，GGaN分分子在極極化過(guò)程程中總是

36、是存在損損耗。電電磁波在在GaNN材料中中傳播時(shí)時(shí)，交變變電場(chǎng)的的作用使使GaNN中正負(fù)負(fù)離子相相對(duì)于平平衡位置置發(fā)生位位移，部部分電場(chǎng)場(chǎng)能量轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為GGaN晶晶體晶格格振動(dòng)能能量。這這種極化化過(guò)程存存在的能能量損耗耗通常用用相對(duì)復(fù)復(fù)介電常常數(shù)來(lái)描描述，此此時(shí)相對(duì)對(duì)介電常常數(shù)r為虛數(shù)數(shù)，可假假定r=1 +ii2 ,材材料的基基本化學(xué)學(xué)常數(shù)折折射率nn和消光光系數(shù)KK以及相相對(duì)介電電常數(shù)的的實(shí)部1 和虛虛部2 都是是入射光光波長(zhǎng)的的函數(shù)，折射率率和小光光系數(shù)與與復(fù)介電電常數(shù)的的函數(shù)關(guān)關(guān)系式為為光經(jīng)過(guò)兩兩種兩種種介質(zhì)界界面時(shí)的的反射和和透射光光強(qiáng)與材材料的光光學(xué)常數(shù)數(shù)相聯(lián)系系。就反反射光譜譜而言，

37、只要不不是在正正入射情情況下測(cè)測(cè)量，垂垂直于入入射面偏偏振的電電矢量和和平行于于入射面面偏振的的電矢量量其振幅幅反射系系數(shù)不同同，具體體可描述述為由此可見見，對(duì)斜斜入射的的偏振光光，經(jīng)介介質(zhì)表面面反射后后其電矢矢量振幅幅和相位位都會(huì)改改變。對(duì)對(duì)于橢圓圓偏振光光其反射射光的振振幅反射射系數(shù)之之比為（5）式式中taan為入射射面內(nèi)偏偏振的電電矢量與與垂直于于入射面面內(nèi)偏振振的電矢矢量的相相對(duì)振幅幅衰減，為反射射引起的的兩個(gè)電電矢量間間的相位位差。有有（3）（55）式計(jì)計(jì)算可得得由（6）式和（7）式式可知，在某一一波長(zhǎng)的的入射光光實(shí)驗(yàn)條條件下，測(cè)出，和入射射角就可以以求出該該波長(zhǎng)下下材料的的折射率率

38、和消光光系數(shù)。再由（1）式式，（22）式即即可得出出被測(cè)樣樣品在相相應(yīng)波長(zhǎng)長(zhǎng)的介電電常數(shù)的的實(shí)部1 和虛虛部2 。3.2 GaNN薄膜的的外延生生長(zhǎng)和原原位SEE光譜分分析利用EIIKO RF-MBEE系統(tǒng)配配備的橢橢偏光譜譜儀測(cè)量量基于GGaN薄薄膜生長(zhǎng)長(zhǎng)過(guò)程中中在線原原位SEE數(shù)據(jù)。在有效效界面近近似條件件下，通通過(guò)選用用適當(dāng)模模型采用用FasstDyyn數(shù)據(jù)據(jù)處理運(yùn)運(yùn)算程序序進(jìn)行數(shù)數(shù)據(jù)擬合合，獲得得了MBBE生長(zhǎng)長(zhǎng)GaNN薄膜的的基本光光學(xué)常數(shù)數(shù)譜?；谒{(lán)寶寶石常規(guī)和鄰鄰晶面襯襯底MBBE生長(zhǎng)長(zhǎng)GaNN薄膜原原位橢偏偏光譜實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)據(jù)，用色色散基本本理論，分析外外延層中中應(yīng)變能能釋放過(guò)

39、過(guò)程。圖圖1為常常規(guī)藍(lán)寶寶石襯底底生長(zhǎng)11號(hào)樣品品生長(zhǎng)過(guò)過(guò)程原位位SE圖譜譜，圖22為鄰晶晶面藍(lán)寶寶石襯底底生長(zhǎng)過(guò)過(guò)程原位位SE圖譜譜。原位位SE圖譜譜顯示的的是所生生長(zhǎng)樣品品復(fù)介電電函數(shù)的的實(shí)部隨生生長(zhǎng)時(shí)間間的進(jìn)化化過(guò)程，從藍(lán)寶寶石襯底底氮化開開始，逐漸漸上升，見圖中中標(biāo)識(shí)AA。大約約生長(zhǎng)幾幾個(gè)單原原子層后后達(dá)到峰峰值，然然后開始始下降，表明GGaN緩緩沖層以以層狀和和島狀混混合模式式即S-K模式式開始生生長(zhǎng)。氮氮化物薄薄膜與藍(lán)藍(lán)寶石襯襯底的晶晶格常數(shù)數(shù)失配，在外延延緩沖層層中積累累應(yīng)變能能。當(dāng)應(yīng)應(yīng)變能釋釋放時(shí)，在沉積積物與界界面處的的高能量量激發(fā)島島形成。的下下降標(biāo)志志著外延延GaNN緩沖

40、層層在氮化化的藍(lán)寶寶石襯底底上出現(xiàn)現(xiàn)第一次次應(yīng)變能能釋放過(guò)過(guò)程。在在這個(gè)SS-K模模式生長(zhǎng)長(zhǎng)階段，所形成成的島尺尺度約幾幾十個(gè)納納米；此此時(shí)SEE光譜的的變化與與緩沖層層的厚度度及粗糙糙度相關(guān)關(guān)，較長(zhǎng)長(zhǎng)的探測(cè)測(cè)光波長(zhǎng)長(zhǎng)達(dá)到峰峰值較晚晚。如圖圖中7000nmm和4550nmm的探測(cè)測(cè)光1 出現(xiàn)現(xiàn)峰值比比3700nm的的探測(cè)光光的峰值值滯后。隨著緩緩沖層的的厚度增增加和遷遷移增強(qiáng)強(qiáng)外延（MEEE）技術(shù)術(shù)的應(yīng)用用緩沖層層表面趨趨于光滑滑，SEE譜急劇劇上升直直到出現(xiàn)現(xiàn)峰值，見圖中中B處；然后趨趨于平緩緩下降，緩沖層層生長(zhǎng)結(jié)結(jié)束。在緩沖層層升溫至至7500附近，急劇劇下降，如圖中中C處，這表明明外延層

41、層出現(xiàn)第第二次應(yīng)應(yīng)變能釋釋放過(guò)程程。隨后后7000nm，4500nm和和3700nm的的3種探探測(cè)波長(zhǎng)長(zhǎng)的SEE光譜中中急劇劇上升表表明GaaN外延延層厚度度的增加加導(dǎo)致干干涉效應(yīng)應(yīng)波長(zhǎng)為為7000nm和和4500nm的的探測(cè)光光隨時(shí)間間出現(xiàn)周周期性振振蕩。而而3700nm波波長(zhǎng)探測(cè)測(cè)光由于于GaNN外延層層的帶邊邊吸收，使得3370nnm波長(zhǎng)長(zhǎng)的探測(cè)測(cè)光在生生長(zhǎng)約660miin后，外延層層厚度生生長(zhǎng)到約約3500nm時(shí)時(shí)趨于平平緩。對(duì)對(duì)比分析析兩種襯襯底生長(zhǎng)長(zhǎng)GaNN薄膜的的原位SSE光譜譜的變化化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)兩兩種襯底底在氮化化和緩沖沖層生長(zhǎng)長(zhǎng)時(shí)都出出現(xiàn)應(yīng)變變能釋放放弛豫過(guò)過(guò)程；但但兩種襯襯

42、底的兩兩次應(yīng)變變能釋放放過(guò)程顯顯著不同同，尤其其是第二二次應(yīng)變變能釋放放時(shí)。常常規(guī)藍(lán)寶寶石襯底底在緩沖沖層升溫溫時(shí)不僅僅3700nm探探測(cè)光的的譜線線未出現(xiàn)現(xiàn)而且7700nnm，4450nnm探測(cè)測(cè)波長(zhǎng)的的譜線線同步對(duì)對(duì)應(yīng)下降降，其下下降斜率率遠(yuǎn)小于于鄰晶面面襯底相相應(yīng)過(guò)程程譜線線下降的的斜率，見圖中中標(biāo)示CC處。這這可能就就是常規(guī)規(guī)藍(lán)寶石石襯底MMBE外外延生長(zhǎng)長(zhǎng)GaNN薄膜出出現(xiàn)較高高位錯(cuò)密密度的機(jī)機(jī)制。應(yīng)應(yīng)變能釋釋放不完完全，使使線位錯(cuò)錯(cuò)缺陷彎彎曲，應(yīng)應(yīng)變能的的積累，出現(xiàn)島島狀生長(zhǎng)長(zhǎng)。結(jié)果果導(dǎo)致外外延層形形成丘狀狀螺旋結(jié)結(jié)構(gòu)，引引起表面面粗糙。這一推推測(cè)可以以從隨后后的外延延層生長(zhǎng)長(zhǎng)過(guò)程

43、的的SE圖圖譜得到到證實(shí)。由圖中中譜可可見，從從標(biāo)示DD開始鄰鄰晶面襯襯底外延延層生長(zhǎng)長(zhǎng)出現(xiàn)均均勻光滑滑的因厚厚度變化化引起的的干涉峰峰谷譜線線。而常常規(guī)襯底底的7000nmm，4550nmm干涉峰峰谷明顯顯不對(duì)稱稱和不均均勻，薄薄膜的光光學(xué)質(zhì)量量較差。通過(guò)原位位真實(shí)時(shí)時(shí)間SEE圖譜分分析發(fā)現(xiàn)現(xiàn)，在GGaN薄薄膜外延延生長(zhǎng)過(guò)過(guò)程中，出現(xiàn)兩兩次應(yīng)變變能釋放放的過(guò)程程。第一一次出現(xiàn)現(xiàn)在緩沖沖層生長(zhǎng)長(zhǎng)過(guò)程中中，第二二次出現(xiàn)現(xiàn)在緩沖沖層升溫溫過(guò)程中中。由于于GaNN與藍(lán)寶寶石襯底底的晶格格失配，自組織織的微晶晶結(jié)構(gòu)通通過(guò)傾斜斜或旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變向釋釋放應(yīng)變變能量。在緩沖沖層的生生長(zhǎng)過(guò)程程中，這這些不同同方向的

44、的微晶結(jié)結(jié)合導(dǎo)致致出現(xiàn)位位錯(cuò)。在在緩沖層層升溫過(guò)過(guò)程中，表面原原子遷移移和蒸發(fā)發(fā)使線位位錯(cuò)缺陷陷彎曲或或消失，出現(xiàn)第第二次應(yīng)應(yīng)變能釋釋放過(guò)程程，這一一過(guò)程對(duì)對(duì)于減少少線位錯(cuò)錯(cuò)至關(guān)重重要。比比較兩種種襯底上上生長(zhǎng)GGaN薄薄膜的SSE圖譜譜，可以以認(rèn)為常常規(guī)藍(lán)寶寶石襯底底MBEE外延生生長(zhǎng)GaaN薄膜膜中較高高的螺旋旋位錯(cuò)密密度是在在緩沖層層應(yīng)變能能釋放過(guò)過(guò)程中產(chǎn)產(chǎn)生的。采用鄰鄰晶面襯襯底可實(shí)實(shí)現(xiàn)臺(tái)階階流動(dòng)模模式S-K生長(zhǎng)長(zhǎng)GaNN薄膜，從而有有效抑制制螺旋位位錯(cuò)的形形成。通過(guò)原位位真實(shí)時(shí)時(shí)間SEE光譜研研究發(fā)現(xiàn)現(xiàn)，在緩緩沖層的的生長(zhǎng)過(guò)過(guò)程中，自組織織的微晶晶結(jié)構(gòu)通通過(guò)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變向釋釋放應(yīng)變變能量

45、，導(dǎo)致不不同方向向的微晶晶結(jié)合出出現(xiàn)位錯(cuò)錯(cuò)。在緩緩沖層升升溫過(guò)程程中，表表面原子子遷移和和蒸發(fā)可可使線位位錯(cuò)缺陷陷彎曲或或消失，這一過(guò)過(guò)程對(duì)于于減少線線位錯(cuò)至至關(guān)重要要。研究究結(jié)果進(jìn)進(jìn)一步證證實(shí)了采采用襯底底偏晶向向法形成成單原子子高度臺(tái)臺(tái)階的鄰鄰晶面，可以抑抑制螺旋旋位錯(cuò)的的產(chǎn)生，改善MMBE生生長(zhǎng)GaaN薄膜膜的表面面質(zhì)量。因此，在GaaN薄膜膜外延生生長(zhǎng)過(guò)程程中，控控制生長(zhǎng)長(zhǎng)高質(zhì)量量的緩沖沖層是減減少位錯(cuò)錯(cuò)密度、制備高高質(zhì)量薄薄膜的關(guān)關(guān)鍵。4 r面面藍(lán)寶石石襯底上上采用兩兩步AIIN緩沖沖層法外外延生長(zhǎng)長(zhǎng)a面GGaN薄薄膜及應(yīng)應(yīng)力研究究近年來(lái)，IIII族氮化化物在光光電子和和微電子子領(lǐng)域

46、都都取得了了很大的的進(jìn)展。由于難難以獲得得體材料料使得IIII族族氮化物物材料主主要異質(zhì)質(zhì)外延生生長(zhǎng)在其其他襯底底上，藍(lán)藍(lán)寶石是是最常用用的襯底底，目前前絕大多多數(shù)的GGaN基基發(fā)光二二極管（LEDD）和激激光器(LD)都是外外延在cc面藍(lán)寶寶石襯底底上。而而在c面面藍(lán)寶石石上得到到的c面面IIII-V族族氮化物物材料的的結(jié)構(gòu)不不具有中中心反演演對(duì)稱性性，并且且IIII族元素素的原子子和N原原子的電電負(fù)性相相差很大大，導(dǎo)致致GaNN及其異異質(zhì)結(jié)在在方向具具有很強(qiáng)強(qiáng)的自發(fā)發(fā)極化和和壓電極極化，極極化效應(yīng)應(yīng)的存在在對(duì)材料料特性和和器件的的性能有有重要的的影響。極化效效應(yīng)在IIII-V族氮氮化物外外

47、延層中中產(chǎn)生較較高強(qiáng)度度的內(nèi)建建電場(chǎng)，內(nèi)建電電場(chǎng)的存存在使能能帶彎曲曲、傾斜斜，能級(jí)級(jí)位置發(fā)發(fā)生變化化，發(fā)光光波長(zhǎng)發(fā)發(fā)生位移移；同時(shí)時(shí)由界面面電荷產(chǎn)產(chǎn)生的電電場(chǎng)還會(huì)會(huì)使正負(fù)負(fù)載流子子在空間間上分離離，電子子與空穴穴波函數(shù)數(shù)的交迭迭變小，使材料料的發(fā)光光效率大大大的降降低。為為了減小小極化電電場(chǎng)對(duì)量量子阱發(fā)發(fā)光效率率的影響響，人們們嘗試通通過(guò)對(duì)LLED器器件結(jié)構(gòu)構(gòu)的優(yōu)化化設(shè)計(jì)，調(diào)節(jié)材材料的應(yīng)應(yīng)力，達(dá)達(dá)到減小小極化效效應(yīng)的目目的。然然而，這這些嘗試試對(duì)減小小極化效效應(yīng)的作作用使有有限的，避開極極化效應(yīng)應(yīng)的最根根本方法法是生長(zhǎng)長(zhǎng)非極性性面的GGaN基基材料，從面徹徹底消除除極化效效應(yīng)的影影響。目目前

48、普遍遍采用的的用于制制備非極極性GaaN基材材料的技技術(shù)途徑徑有兩種種：（11）在-LiiAlOO2的襯底底上利用用MBEE技術(shù)生生長(zhǎng)（111000）m面面GaNN；（22）在rr面（111022）藍(lán)寶寶石襯底底上用MMBE，MOCCVD和和HVPPE技術(shù)術(shù)生長(zhǎng)aa面（111200）GaaN材料料。與-LiiAlOO2相比，r面藍(lán)藍(lán)寶石因因其在高高溫下穩(wěn)穩(wěn)定，且且在其上上生長(zhǎng)的的GaNN材料背背底摻雜雜濃度低低等原因因，是一一種更有有前途的的襯底材材料，因因此r面面藍(lán)寶石石上生長(zhǎng)長(zhǎng)a面GGaN成成為這一一領(lǐng)域的的研究熱熱點(diǎn)。通通常，人人們利用用低溫GGaN14117119 或高溫溫AINN15

49、5 作作為緩沖沖層，在在r面藍(lán)藍(lán)寶石上上生長(zhǎng)aa面GaaN薄膜膜。但得得到的材材料質(zhì)量量與生長(zhǎng)長(zhǎng)在c面面藍(lán)寶石石上的cc面GaaN相比比，還相相差很遠(yuǎn)遠(yuǎn)，還不不能滿足足高性能能器件對(duì)對(duì)材料質(zhì)質(zhì)量的要要求。所所以，生生長(zhǎng)高質(zhì)質(zhì)量的aa面GaaN仍是是當(dāng)前的的研究重重點(diǎn)。本文的目目的就是是在于通通過(guò)引入入兩步AAIN緩緩沖層的的方法，提高在在r面藍(lán)藍(lán)寶石上上生長(zhǎng)aa面GaaN的質(zhì)質(zhì)量，同同時(shí)通過(guò)過(guò)研究aa面GaaN外延延膜中的的應(yīng)力，進(jìn)一步步改進(jìn)材材料的質(zhì)質(zhì)量。4.1 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)中采采用金屬屬有機(jī)物物化學(xué)氣氣相沉積積（MOOCVDD）設(shè)備備在r面面（11102）藍(lán)寶石石（saapphhiree）襯底

50、底上外延延生長(zhǎng)aa面(111200)GaanN薄薄膜，其其中Gaa，All和N源源分別為為三甲基基鎵（TTMGaa）、三三甲基鋁鋁(TMMAl)和氨氣氣(NHH3)。在在外延材材料生長(zhǎng)長(zhǎng)前，首首先在氫氫氣氛圍圍中把藍(lán)藍(lán)寶石襯襯底加熱熱到11150處理110miin，以以便去除除襯底表表面的雜雜質(zhì)。在在外延生生長(zhǎng)過(guò)程程中，首首先在8800生長(zhǎng)440nmm厚的低低溫AIIN緩沖沖層，然然后把生生長(zhǎng)溫度度升高到到10880，再生生長(zhǎng)4000nmm厚的高高溫AIIN緩沖沖層，最最后在此此溫度下下生長(zhǎng)約約1.55um厚厚的a面面GaNN，GaaN的生生長(zhǎng)速率率為2.0umm/h。具體的的生長(zhǎng)結(jié)結(jié)構(gòu)如圖圖

51、1所示示。高分辨XX射線衍衍射（HHRXRRD）技技術(shù)是一一種無(wú)損損傷的研研究材料料結(jié)構(gòu)的的方法。我們采采用英國(guó)國(guó)Bedde公司司生產(chǎn)的的Dl型型多功能能高分辨辨X射線線衍射儀儀（三晶晶軸配置置）進(jìn)行行w/22對(duì)稱、非對(duì)稱稱掃描以以及對(duì)稱稱衍射的的倒空間間Mapppinng衍射射（RSSM）的的測(cè)試方方式進(jìn)行行了4種種不同的的掃描測(cè)測(cè)量：（1）對(duì)對(duì)樣品的的（11120）對(duì)稱衍衍射面進(jìn)進(jìn)行雙軸軸的w-2和倒空空間Maappiing衍衍射（RRSM）的測(cè)試試；（22）對(duì)樣樣品（111200）衍射射面進(jìn)行行w雙晶晶搖擺掃掃描；（3）對(duì)對(duì)樣品的的（10010，（10011）和藍(lán)寶寶石襯底底的（0000

52、66）面進(jìn)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)掃掃描；（4）對(duì)對(duì)樣品的的（11120），（111222）和（10110）面面進(jìn)行三三晶軸高高分辨ww-2掃描。單色器器采用44次反射射的斜切切Si(2200)晶體體組合，經(jīng)單色色器出射射后的CCuKaal波長(zhǎng)長(zhǎng)為0.15440566nm，高分辨辨w/22掃描曲曲線的分分辨率為為0.000011。分析析晶體為為2次反反射的斜斜切Sii(2220)晶晶體。采采用法國(guó)國(guó)Jobbin-Yvoon TT64000型RRamaan光譜譜儀對(duì)樣樣品進(jìn)行行Ramman光光譜測(cè)量量，激發(fā)發(fā)光為VVerddi-22型激光光器的5532nnm譜線線。5332nmm譜線激激發(fā)下光光譜的分分辨率為為

53、0.55cm-1左右右。4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)結(jié)果與討討論圖2給出出了厚度度為1.5umm厚的aa面GaaN薄膜膜的高分分辨XRRDw-2掃描的的衍射圖圖，圖中中的衍射射峰分別別來(lái)源于于GaNND (11220)面面，微弱弱的AIIN緩沖沖層的（11220）面面，以及及r面藍(lán)藍(lán)寶石襯襯底的（11002），（22204）和（333066）面的的衍射。在測(cè)量量精度范范圍之內(nèi)內(nèi)沒(méi)有觀觀測(cè)到GGaN的的（00002）及其他他面的衍衍射峰，這表明明我們得得的外延延材料是是單一取取向的aa面（111200）GaaN.插插圖中為a面面GaNN薄膜（11220）面面的倒空空間Maappiing衍衍射圖，圖中僅僅觀察到

54、到GaNN(11120)面、AAIN（11220）面面、藍(lán)寶寶石襯底底的（111022）面衍衍射峰，更進(jìn)一一步證明明了我們們獲得的的外延薄薄膜是沿沿著GaaN111200單一一取向的的。我們通過(guò)過(guò)對(duì)稱面面的w-2掃描得得到樣品品和襯底底的晶向向排列關(guān)關(guān)系為11220GGaN|11102。下面面我們將將通過(guò)非非對(duì)稱面面的衍射射峰來(lái)確確定樣品品與襯底底在生長(zhǎng)長(zhǎng)面內(nèi)的的晶向排排列關(guān)系系。分別別來(lái)將衍衍射面調(diào)調(diào)到GaaN的（10110），（10011）和藍(lán)寶寶石的（00006）面面后，進(jìn)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)掃掃描，掃掃描曲線線如圖33所示。通過(guò)分析析樣品與與襯底衍衍射點(diǎn)的的角位置置關(guān)系，可以確確定樣品品與襯底底在

55、生長(zhǎng)長(zhǎng)方向平平面內(nèi)的的晶向關(guān)關(guān)系為：00001GaNN|111011和11000 GaNN |11220，具體的的位相關(guān)關(guān)系如圖圖4所示示。這個(gè)個(gè)結(jié)果與與文獻(xiàn)中中利用低低溫GaaN作為為緩沖層層生長(zhǎng)獲獲得的aa面GaaN與襯襯底之間間的晶向向排列關(guān)關(guān)系是一一致的，說(shuō)明我我們采用用兩步AAIN緩緩沖層方方法外延延的a面面GaNN薄膜與與襯底之之間的晶晶向關(guān)系系與采用用低溫GGaN作作為緩沖沖層外延延的a面面GaNN薄膜與與襯底之之間的晶晶向關(guān)系系是相同同的。搖擺曲線線的半峰峰寬的大大小常被被用來(lái)表表征樣品品的質(zhì)量量。采用用兩步AAIN緩緩沖層的的方法在在r面藍(lán)藍(lán)寶石襯襯底生長(zhǎng)長(zhǎng)的a面面GaNN薄

56、膜（11220）面面的X射射線雙晶晶搖擺曲曲線的半半峰寬為為0.1193。文獻(xiàn)中中報(bào)道的的采用低低溫GaaN作為為緩沖層層外延獲獲得的aa面GaaN薄膜膜（11120）面的XX射線雙雙晶搖擺擺曲線的的半峰寬寬為0.240.229114,117 ；采用用單層高高溫AIIN作為為緩沖層層外延獲獲得的aa面GaaN薄膜膜（11120）面的XX射線雙雙晶搖擺擺曲線的的半峰寬寬最小值值也在00.299左右。我們獲獲得的00.1993的半半峰寬與與文獻(xiàn)中中報(bào)道的的采用HHVPEE側(cè)向外外延生長(zhǎng)長(zhǎng)的a面面GaNN的薄膜膜，雖然然這個(gè)值值與生長(zhǎng)長(zhǎng)在c面面藍(lán)寶石石襯底上上的c面面GaNN的值相相比還有有一定的的

57、距離。在這里里我們把把a(bǔ)面GGaN薄薄膜晶體體質(zhì)量的的提高歸歸于兩步步AINN緩沖層層的作用用。低溫溫緩沖層層生長(zhǎng)時(shí)時(shí)由于生生長(zhǎng)溫度度較低，Al原原子的遷遷移能力力比Gaa原子低低很多，在這個(gè)個(gè)溫度下下生長(zhǎng)的的AINN與低溫溫GaNN或高溫溫AINN作為緩緩沖層生生長(zhǎng)引入入的各向向異性問(wèn)問(wèn)題，而而隨后在在低溫AAIN層層上繼續(xù)續(xù)生長(zhǎng)的的高溫AAIN層層晶體質(zhì)質(zhì)量較高高，這就就為后續(xù)續(xù)生長(zhǎng)aa面GaaN提供供了一個(gè)個(gè)高質(zhì)量量的生長(zhǎng)長(zhǎng)“模板”，有利利于a面面GaNN薄膜質(zhì)質(zhì)量的改改善。由于a面面GaNN和r面面藍(lán)寶石石襯底之之間晶格格失配很很大，且且平面內(nèi)內(nèi)各向異異性，因因此有必必要研究究a面GG

58、aN薄薄膜的應(yīng)應(yīng)力分布布，這對(duì)對(duì)于改善善材料的的質(zhì)量有有著重要要的意義義。我們通過(guò)過(guò)對(duì)樣品品的對(duì)稱稱（11120）面、非非對(duì)稱（11222）和和非對(duì)稱稱（10010）面進(jìn)行行三晶軸軸高分辨辨w-22掃描可可以得到到各個(gè)面面的衍射射角，再再由布拉拉格公式式及各個(gè)個(gè)面之間間的關(guān)系系，可計(jì)計(jì)算出aa面GaaN外延延膜的晶晶格常數(shù)數(shù)a，cc和（111000）面間間距。在在這里我我們規(guī)定定X|11220GGaN，Y|11000 GaNN和Z|00001 GaaN。再再由公式式：可以計(jì)算算外延膜膜沿著樣樣品各個(gè)個(gè)方向的的應(yīng)變，其中aa0，m0和c0是無(wú)應(yīng)應(yīng)變的GGaN體體材料的的晶格常常數(shù)（具具體值見見表

59、1）。計(jì)算算結(jié)果見見表2。.最后由樣樣品沿著著各個(gè)方方向的應(yīng)應(yīng)變及下下面的公公式可以以計(jì)算出出樣品沿沿著各個(gè)個(gè)方向的的應(yīng)力：其中c111，cc12，cc13和cc33為GGaN的的彈性剛剛度系數(shù)數(shù)（具體體值見表表1）。通過(guò)計(jì)計(jì)算我們們得到了了樣品沿沿不同方方向的應(yīng)應(yīng)力，計(jì)計(jì)算結(jié)果果見表22。我們們得到樣樣品沿mm軸方向向的應(yīng)力力為-22.611Gpa，沿沿c軸方方向的應(yīng)應(yīng)力為+0.661Gppa，表表明我們們采用兩兩步AIIN作為為緩沖層層生長(zhǎng)獲獲得的aa面GaaN在外外延層平平面內(nèi)的的應(yīng)力也也存在著著很大的的各向異異性。沿沿c軸的的原子間間距被拉拉伸，沿沿m面方方向的原原子間距距被壓縮縮。我

60、們知道道，Raamann光譜中中聲子頻頻率對(duì)應(yīng)應(yīng)變非常常敏感。下面我我們就利利用Raamann散射譜譜來(lái)研究究所獲得得樣品的的應(yīng)力分分布情況況。圖5給出出了樣品品在（111200）背散散射配置置下的RRamaan散射射譜。在在X(YYY)XX配置下下，GaaN的EE2 低頻頻模，AA1(TOO)模和和E2高頻模模分別位位于1442.55,5335.55和5770.77cm-1;在在X(ZZY)XX配置下下，GaaN只有有E1 (TTO)模模出現(xiàn)，位于5562.0 ccm-11；在XX(ZZZ)X配配置下，GaNN只出現(xiàn)現(xiàn)了位于于5355.5 cm-1 的的A1(TOO)模。此外，E2 高頻頻模