應(yīng)變調(diào)控對GaN基激光器外延結(jié)構(gòu)優(yōu)化與器件制備的關(guān)鍵作用研究一、引言1.1研究背景與意義隨著科技的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體激光器作為光電子領(lǐng)域的核心器件，在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。GaN基激光器作為半導(dǎo)體激光器家族中的重要成員，憑借其獨(dú)特的物理性質(zhì)和優(yōu)異的性能，在光通信、激光顯示、醫(yī)療、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及工業(yè)加工等領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。在光通信領(lǐng)域，隨著5G乃至未來6G通信技術(shù)的發(fā)展，對高速、大容量的數(shù)據(jù)傳輸需求日益增長。GaN基激光器以其高調(diào)制帶寬和短波長特性，能夠?qū)崿F(xiàn)更高速率的數(shù)據(jù)傳輸，滿足未來通信網(wǎng)絡(luò)對帶寬的嚴(yán)苛要求，有望成為下一代光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵光源。在激光顯示領(lǐng)域，GaN基激光器可作為三基色光源之一，其高亮度、窄線寬和長壽命的特點(diǎn)，能夠顯著提升顯示畫面的色彩飽和度、對比度和清晰度，推動(dòng)激光顯示技術(shù)向更高分辨率、更大尺寸方向發(fā)展，為用戶帶來更為逼真、震撼的視覺體驗(yàn)。在醫(yī)療領(lǐng)域，GaN基紫外激光器可用于生物分子檢測、細(xì)胞成像、光動(dòng)力治療等，其短波長特性能夠?qū)崿F(xiàn)對生物樣本的高分辨率成像和精準(zhǔn)治療，有助于疾病的早期診斷和有效治療。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域，藍(lán)光GaN基激光器的應(yīng)用使得光盤存儲(chǔ)容量大幅提升，實(shí)現(xiàn)了更高密度的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，推動(dòng)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展。在工業(yè)加工領(lǐng)域，GaN基激光器的高功率和短波長特性使其在金屬切割、焊接、表面處理等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高效率的加工，提高工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。然而，GaN基激光器在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨諸多挑戰(zhàn)。由于GaN材料通常生長在晶格失配較大的襯底上，在生長過程中會(huì)引入大量的位錯(cuò)等缺陷，這些缺陷不僅會(huì)影響材料的晶體質(zhì)量，還會(huì)成為非輻射復(fù)合中心，降低器件的發(fā)光效率和可靠性。此外，GaN基激光器在工作過程中會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，導(dǎo)致器件性能下降，甚至失效。如何有效解決這些問題，提高GaN基激光器的性能和可靠性，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。應(yīng)變調(diào)控作為一種有效的手段，在解決GaN基激光器的上述問題方面展現(xiàn)出了巨大的潛力。通過合理設(shè)計(jì)外延結(jié)構(gòu)，引入適當(dāng)?shù)膽?yīng)變，可以調(diào)控材料的能帶結(jié)構(gòu)，優(yōu)化載流子的分布和復(fù)合過程，從而提高器件的發(fā)光效率。應(yīng)變還可以改善材料的晶體質(zhì)量，減少缺陷密度，提高器件的可靠性。研究應(yīng)變調(diào)控對GaN基激光器外延結(jié)構(gòu)和器件性能的影響，對于實(shí)現(xiàn)高性能、高可靠性的GaN基激光器具有重要的理論和實(shí)際意義。本研究旨在深入探究應(yīng)變調(diào)控對GaN基激光器外延結(jié)構(gòu)及器件性能的影響，通過理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，優(yōu)化GaN基激光器的外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，開發(fā)新型的應(yīng)變調(diào)控技術(shù)，制備高性能的GaN基激光器器件。本研究的成果將為GaN基激光器的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用提供理論支持和技術(shù)支撐，有望推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀自1995年日亞公司研制成功世界上第一只室溫脈沖激射的波長為405nmGaN基紫光激光器以來，GaN基激光器的研究便受到了全球眾多科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)的高度關(guān)注，相關(guān)研究取得了豐碩的成果。在國外，日亞公司在GaN基激光器的研究和產(chǎn)業(yè)化方面一直處于領(lǐng)先地位。1999年1月，該公司宣布GaN基紫光激光器商業(yè)化，其波長400nm，工作電流40mA，工作電壓5V，輸出功率5mW，室溫連續(xù)工作壽命超過10000小時(shí)。隨后，日亞公司不斷改進(jìn)技術(shù)，在1999年9月首次報(bào)道了橫向外延GaN襯底上生長的單量子阱藍(lán)光激光器，激射波長為450nm，閾值電流密度和電壓分別為4.6kA/cm2和6.1V，室溫下輸出5mW時(shí)壽命為200小時(shí)。2001年3月，日亞公司采用InGaN材料作為波導(dǎo)層，增強(qiáng)光學(xué)限制，同時(shí)改善有源區(qū)的晶體質(zhì)量，使得器件的閾值電流密度下降為3.3kA/cm2，閾值電壓降低到4.6V，50℃輸出5mW時(shí)器件壽命達(dá)到3000小時(shí)。隨著外延、芯片和散熱封裝技術(shù)的不斷提升，激光器的輸出功率和壽命持續(xù)增加。2013年，日亞公司報(bào)道了連續(xù)輸出3.75W的藍(lán)光激光器，激光器的閾值電流為225mW，閾值電流密度小于1kA/cm2。同年，歐司朗公司報(bào)道了最大輸出功率高達(dá)4W的藍(lán)光激光器。在綠光激光器方面，日本日亞公司和德國歐司朗公司率先實(shí)現(xiàn)綠光激光器的室溫連續(xù)激射。2009年1月，歐司朗公司率先實(shí)現(xiàn)了C面GaN襯底上激射波長大于500nm的綠光激光器，閾值電流密度為6.2kA/cm2，斜率效率為0.65W/A。2009年5月日亞公司報(bào)道了激射波長為510-515nm的綠光激光器，閾值電流密度為4.4kA/cm2，閾值電壓為5.2V，25℃連續(xù)輸出5mW時(shí)激光器推測壽命超過5000小時(shí)。隨后歐司朗公司持續(xù)改進(jìn)，在2010年實(shí)現(xiàn)波長524nm，閾值電流97mA，斜率效率0.336W/A綠光激光器；2012年實(shí)現(xiàn)了519nm，輸出功率100mW，工作壽命10000小時(shí)的激光器；2013年實(shí)現(xiàn)了波長520nm，輸出功率達(dá)到250mW的激光器。在半極性面和非極性面GaN基綠光激光器研究方面，加州大學(xué)圣巴巴拉分校、日本羅姆公司、住友電子、美國索拉公司、索尼等機(jī)構(gòu)也取得了一系列成果。如2009年，Rohm公司率先報(bào)道了激射波長大于500nm的非極性面GaN激光器，閾值電流密度為3.1kA/cm2，連續(xù)輸出15mW時(shí)激射波長為500.2nm；Sumitomo公司于2009年7月報(bào)道了激射波長為531nm的綠光激光器，采用(20-21)面自支撐GaN襯底，閾值電流密度為15.4kA/cm2；2012年6月，該公司在半極性面(20-21)面GaN襯底上實(shí)現(xiàn)了連續(xù)激射波長為525nm、輸出功率50mW的長壽命綠光激光器。2018年索尼公司報(bào)道了(20-21)面上生長的綠光激光器，在1.2A電流下達(dá)到接近1W的輸出功率。在國內(nèi)，GaN基激光器的研究也取得了顯著進(jìn)展。2004年中科院半導(dǎo)體所和北京大學(xué)率先研制出GaN基紫光激光器。2010年中科院半導(dǎo)體所采用自支撐GaN襯底，進(jìn)一步提升了激光器性能，實(shí)現(xiàn)閾值電流密度2.4kA/cm2，閾值電壓6.8V，激射波長413.7nm的GaN基紫光激光器。2021年，中國科學(xué)院半導(dǎo)體所趙德剛科研團(tuán)隊(duì)報(bào)道了大功率藍(lán)光激光器的研究進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)室溫連續(xù)輸出功率高達(dá)6W的藍(lán)光激光器；中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生所劉建平科研團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)室溫連續(xù)工作輸出光功率達(dá)到7.5W的藍(lán)光激光器；廈門大學(xué)康俊勇、李金釵團(tuán)隊(duì)與三安光電聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目取得突破性成果，超8W大功率InGaN藍(lán)光激光器設(shè)計(jì)和制作達(dá)到國際水準(zhǔn)。在綠光激光器研制方面，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生所在2014年率先研制出GaN綠光激光器，并在2021年報(bào)道最新研究進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)斜率效率0.8W/A，輸出光功率達(dá)到1.7W的綠光激光器芯片。中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所趙德剛研究員團(tuán)隊(duì)長期致力于GaN基光電子材料外延生長與器件研究，逐步解決了紫外半導(dǎo)體激光器發(fā)光效率低、高Al組分AlGaN的p摻雜困難、大失配外延應(yīng)力調(diào)控以及器件自發(fā)熱等一系列關(guān)鍵問題。2016年實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)第一支GaN基紫外半導(dǎo)體激光器的電注入激射，2022年研制出激射波長為384nm、室溫連續(xù)輸出功率為2W的大功率紫外半導(dǎo)體激光器，同年還成功研制出波長為357.9nm紫外半導(dǎo)體激光器，該激光器也是目前國內(nèi)首次公開報(bào)道的電注入激射AlGaN激光器。在應(yīng)變調(diào)控方面，國內(nèi)外研究人員進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究。通過引入應(yīng)變，可以改變GaN材料的晶格常數(shù)，進(jìn)而調(diào)控其能帶結(jié)構(gòu)。例如，在量子阱結(jié)構(gòu)中，合適的應(yīng)變可以增強(qiáng)量子限制效應(yīng)，提高載流子的復(fù)合效率，從而提升激光器的發(fā)光效率。研究人員還通過模擬和實(shí)驗(yàn)，探究了不同應(yīng)變引入方式（如生長不同組分的合金層、采用超晶格結(jié)構(gòu)等）對GaN基激光器外延結(jié)構(gòu)和性能的影響。在實(shí)驗(yàn)制備中，精確控制應(yīng)變的大小和分布是一個(gè)關(guān)鍵難題，需要對材料生長工藝進(jìn)行精細(xì)調(diào)控，如精確控制生長溫度、氣體流量等參數(shù)。盡管國內(nèi)外在GaN基激光器的外延結(jié)構(gòu)和器件制備方面取得了眾多成果，但仍存在一些不足之處。在應(yīng)變調(diào)控方面，雖然理論上對應(yīng)變與材料性能之間的關(guān)系有了一定的認(rèn)識(shí)，但在實(shí)際應(yīng)用中，如何精確控制應(yīng)變的大小、方向和分布，以實(shí)現(xiàn)對激光器性能的最優(yōu)調(diào)控，仍然是一個(gè)亟待解決的問題。目前對于不同應(yīng)變條件下，GaN基激光器的長期穩(wěn)定性和可靠性研究還相對較少，這對于其在實(shí)際應(yīng)用中的推廣至關(guān)重要。在材料生長方面，雖然通過優(yōu)化生長工藝可以在一定程度上提高材料質(zhì)量，但如何進(jìn)一步降低材料中的缺陷密度，提高晶體質(zhì)量，仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。在器件制備工藝方面，光刻、蝕刻等工藝的精度和重復(fù)性還有待提高，以滿足高性能GaN基激光器的制備需求。此外，對于新型外延結(jié)構(gòu)和應(yīng)變調(diào)控技術(shù)的探索還不夠深入，需要進(jìn)一步開展創(chuàng)新性研究，以推動(dòng)GaN基激光器性能的進(jìn)一步提升。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在通過深入探究應(yīng)變調(diào)控對GaN基激光器外延結(jié)構(gòu)及器件性能的影響，實(shí)現(xiàn)對GaN基激光器外延結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，開發(fā)新型應(yīng)變調(diào)控技術(shù)，從而制備出高性能的GaN基激光器器件。具體研究內(nèi)容如下：1.3.1理論分析與數(shù)值模擬運(yùn)用半導(dǎo)體物理、量子力學(xué)等相關(guān)理論，深入研究應(yīng)變對GaN基材料能帶結(jié)構(gòu)、載流子分布與復(fù)合過程的影響機(jī)制?；诖耍⒕_的理論模型，通過數(shù)值模擬軟件，如SilvacoTCAD等，對不同應(yīng)變條件下GaN基激光器的外延結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析。研究不同外延層材料的選擇、厚度變化、組分調(diào)整以及超晶格結(jié)構(gòu)的引入等因素對應(yīng)變分布和器件性能的影響，包括閾值電流、輸出功率、發(fā)光效率、波長穩(wěn)定性等關(guān)鍵參數(shù)。通過模擬結(jié)果，篩選出具有潛在優(yōu)勢的外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)和優(yōu)化方向。1.3.2應(yīng)變調(diào)控的外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果，設(shè)計(jì)一系列新型的應(yīng)變調(diào)控外延結(jié)構(gòu)。例如，嘗試采用不同In組分的InGaN量子阱結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整In含量來引入合適的應(yīng)變，增強(qiáng)量子限制效應(yīng)，提高載流子的復(fù)合效率。研究超晶格結(jié)構(gòu)在應(yīng)變調(diào)控中的作用，如設(shè)計(jì)AlGaN/GaN超晶格作為緩沖層或限制層，利用超晶格中不同層之間的晶格失配來調(diào)控應(yīng)變分布，改善材料的晶體質(zhì)量，減少位錯(cuò)等缺陷的產(chǎn)生。探索在非極性或半極性襯底上生長GaN基激光器外延結(jié)構(gòu)，利用襯底與外延層之間的晶格關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)變方向和大小的有效控制，從而優(yōu)化器件性能。1.3.3材料生長與器件制備工藝研究在實(shí)驗(yàn)階段，采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)生長GaN基激光器外延結(jié)構(gòu)。通過精確控制生長過程中的各種參數(shù)，如生長溫度、氣體流量、反應(yīng)壓強(qiáng)等，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)變的精確調(diào)控和高質(zhì)量外延層的生長。研究不同生長參數(shù)對材料質(zhì)量、應(yīng)變分布和器件性能的影響規(guī)律，優(yōu)化生長工藝，以獲得低缺陷密度、高質(zhì)量的外延材料。在器件制備過程中，對光刻、蝕刻、歐姆接觸制備等關(guān)鍵工藝進(jìn)行研究和優(yōu)化。采用先進(jìn)的光刻技術(shù)，如電子束光刻或深紫外光刻，提高圖形化的精度，確保器件結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性。優(yōu)化蝕刻工藝，減少對材料表面的損傷，提高器件的光學(xué)性能。研究歐姆接觸的制備工藝，通過選擇合適的金屬電極材料和退火條件，降低接觸電阻，提高器件的電學(xué)性能。1.3.4器件性能測試與分析對制備的GaN基激光器器件進(jìn)行全面的性能測試，包括電學(xué)性能測試（如I-V特性、串聯(lián)電阻等）、光學(xué)性能測試（如輸出功率、波長、光譜寬度、光束質(zhì)量等）以及可靠性測試（如加速老化測試、溫度循環(huán)測試等）。通過測試結(jié)果，深入分析應(yīng)變調(diào)控對外延結(jié)構(gòu)和器件性能的實(shí)際影響，驗(yàn)證理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果。建立器件性能與應(yīng)變調(diào)控參數(shù)、外延結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系模型，為進(jìn)一步優(yōu)化器件性能提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。針對測試過程中發(fā)現(xiàn)的問題，及時(shí)調(diào)整外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備工藝，反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，直至獲得性能優(yōu)良、可靠性高的GaN基激光器器件。1.4研究方法與技術(shù)路線本研究綜合運(yùn)用理論計(jì)算、實(shí)驗(yàn)研究和對比分析等多種方法，深入探究應(yīng)變調(diào)控對GaN基激光器外延結(jié)構(gòu)及器件性能的影響，具體研究方法如下：理論計(jì)算：運(yùn)用半導(dǎo)體物理、量子力學(xué)等基礎(chǔ)理論，深入剖析應(yīng)變對GaN基材料能帶結(jié)構(gòu)、載流子分布和復(fù)合過程的作用機(jī)制?；诖耍瑯?gòu)建精確的理論模型，借助SilvacoTCAD、ComsolMultiphysics等專業(yè)數(shù)值模擬軟件，對不同應(yīng)變條件下GaN基激光器的外延結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬仿真。通過模擬，系統(tǒng)研究外延層材料選擇、厚度變化、組分調(diào)整以及超晶格結(jié)構(gòu)引入等因素對應(yīng)變分布和器件性能的影響，包括閾值電流、輸出功率、發(fā)光效率、波長穩(wěn)定性等關(guān)鍵性能參數(shù)。依據(jù)模擬結(jié)果，篩選出具有潛在優(yōu)勢的外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究提供理論依據(jù)和優(yōu)化方向。實(shí)驗(yàn)研究：采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)，生長GaN基激光器外延結(jié)構(gòu)。在生長過程中，精確控制生長溫度、氣體流量、反應(yīng)壓強(qiáng)等關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)變的精確調(diào)控和高質(zhì)量外延層的生長。對生長的外延材料進(jìn)行XRD、TEM、PL等表征分析，深入研究不同生長參數(shù)對材料質(zhì)量、應(yīng)變分布和光學(xué)性能的影響規(guī)律，優(yōu)化生長工藝，獲取低缺陷密度、高質(zhì)量的外延材料。在器件制備階段，對光刻、蝕刻、歐姆接觸制備等關(guān)鍵工藝進(jìn)行深入研究和優(yōu)化。運(yùn)用先進(jìn)的光刻技術(shù)，如電子束光刻或深紫外光刻，提高圖形化精度，確保器件結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性。優(yōu)化蝕刻工藝，減少對材料表面的損傷，提升器件的光學(xué)性能。研究歐姆接觸的制備工藝，通過合理選擇金屬電極材料和退火條件，降低接觸電阻，提高器件的電學(xué)性能。對制備的GaN基激光器器件進(jìn)行全面的性能測試，涵蓋電學(xué)性能測試（如I-V特性、串聯(lián)電阻等）、光學(xué)性能測試（如輸出功率、波長、光譜寬度、光束質(zhì)量等）以及可靠性測試（如加速老化測試、溫度循環(huán)測試等）。對比分析：對不同應(yīng)變調(diào)控條件下的理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，深入研究應(yīng)變與外延結(jié)構(gòu)、器件性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。對比不同外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備工藝下的器件性能，總結(jié)規(guī)律，找出影響器件性能的關(guān)鍵因素，為進(jìn)一步優(yōu)化器件性能提供依據(jù)。將本研究的結(jié)果與國內(nèi)外相關(guān)研究成果進(jìn)行對比，分析優(yōu)勢與不足，明確研究方向，不斷完善研究內(nèi)容和方法。本研究的技術(shù)路線如圖1-1所示。首先，通過廣泛查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料，深入了解GaN基激光器的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，明確研究目標(biāo)和內(nèi)容。基于半導(dǎo)體物理和量子力學(xué)理論，建立應(yīng)變調(diào)控對GaN基激光器性能影響的理論模型，利用數(shù)值模擬軟件對不同外延結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，篩選出優(yōu)化的外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。依據(jù)模擬結(jié)果，采用MOCVD技術(shù)生長GaN基激光器外延結(jié)構(gòu)，精確控制生長參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)變的調(diào)控。對生長的外延材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能表征，根據(jù)表征結(jié)果優(yōu)化生長工藝。運(yùn)用優(yōu)化的生長工藝制備外延片，經(jīng)過光刻、蝕刻、歐姆接觸制備等工藝，完成GaN基激光器器件的制備。對制備的器件進(jìn)行全面性能測試，分析測試數(shù)據(jù)，評估器件性能。根據(jù)測試結(jié)果，進(jìn)一步優(yōu)化外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備工藝，反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，直至獲得性能優(yōu)良、可靠性高的GaN基激光器器件。最后，總結(jié)研究成果，撰寫學(xué)術(shù)論文和研究報(bào)告，為GaN基激光器的發(fā)展提供理論支持和技術(shù)參考。圖1-1技術(shù)路線圖二、GaN基激光器基本原理與外延結(jié)構(gòu)2.1GaN基激光器工作原理GaN基激光器是一種基于半導(dǎo)體材料的激光器，其工作原理基于受激輻射理論。受激輻射是指處于高能級的原子，在受到能量等于其能級差的光子的作用時(shí)，會(huì)躍遷到低能級，并發(fā)射出一個(gè)與入射光子具有相同頻率、相位和傳播方向的光子的過程。這一過程是激光器實(shí)現(xiàn)光放大的關(guān)鍵。在GaN基激光器中，通常采用P-N結(jié)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)受激輻射。P-N結(jié)是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合而成的，在P型半導(dǎo)體中，空穴是多數(shù)載流子，而在N型半導(dǎo)體中，電子是多數(shù)載流子。當(dāng)在P-N結(jié)上施加正向偏壓時(shí)，電子會(huì)從N區(qū)向P區(qū)注入，空穴會(huì)從P區(qū)向N區(qū)注入，在P-N結(jié)附近形成一個(gè)載流子濃度較高的區(qū)域，稱為有源區(qū)。在有源區(qū)內(nèi)，注入的電子和空穴會(huì)發(fā)生復(fù)合，釋放出能量以光子的形式輻射出來。當(dāng)光子在有源區(qū)內(nèi)傳播時(shí)，如果遇到其他的電子-空穴對，就有可能激發(fā)這些載流子復(fù)合，產(chǎn)生更多的光子，這就是受激發(fā)射過程。為了實(shí)現(xiàn)有效的受激發(fā)射，需要滿足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件，即有源區(qū)內(nèi)處于高能級的電子數(shù)要大于處于低能級的電子數(shù)。在GaN基激光器中，通常通過選擇合適的材料和結(jié)構(gòu)，以及優(yōu)化注入電流等方式來實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。電子與空穴復(fù)合發(fā)光的過程涉及到多個(gè)因素。復(fù)合發(fā)光的效率與材料的質(zhì)量密切相關(guān)。高質(zhì)量的GaN材料具有較少的缺陷和雜質(zhì)，能夠減少非輻射復(fù)合中心，從而提高輻射復(fù)合的概率，增加發(fā)光效率。量子阱結(jié)構(gòu)在GaN基激光器中起著重要作用。量子阱是由兩種不同禁帶寬度的半導(dǎo)體材料交替生長形成的，其中窄禁帶寬度的材料形成阱層，寬禁帶寬度的材料形成壘層。由于量子限制效應(yīng)，電子和空穴被限制在量子阱內(nèi)，增加了它們的復(fù)合概率，同時(shí)也可以通過調(diào)整量子阱的寬度和材料組分來調(diào)控發(fā)光波長。在InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)中，通過改變In的組分，可以調(diào)整量子阱的禁帶寬度，從而實(shí)現(xiàn)不同波長的發(fā)光。此外，注入電流的大小也會(huì)影響電子與空穴的復(fù)合發(fā)光過程。適當(dāng)增加注入電流可以提高有源區(qū)內(nèi)的載流子濃度，增強(qiáng)受激發(fā)射過程，但過高的電流會(huì)導(dǎo)致器件發(fā)熱嚴(yán)重，產(chǎn)生效率下降等問題。溫度也是影響復(fù)合發(fā)光的重要因素之一。隨著溫度的升高，非輻射復(fù)合過程會(huì)加劇，導(dǎo)致發(fā)光效率降低，波長發(fā)生漂移。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要采取有效的散熱措施來控制器件溫度，以保證激光器的性能穩(wěn)定。2.2傳統(tǒng)GaN基激光器外延結(jié)構(gòu)分析2.2.1各層結(jié)構(gòu)組成及功能傳統(tǒng)GaN基激光器外延結(jié)構(gòu)通常由襯底、緩沖層、N型GaN層、有源層、P型GaN層、限制層和電極等部分組成。襯底是整個(gè)外延結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，為后續(xù)各層的生長提供支撐。目前常用的襯底材料有藍(lán)寶石、碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等。藍(lán)寶石襯底具有成本低、易于加工等優(yōu)點(diǎn)，但其與GaN材料之間存在較大的晶格失配和熱失配，這會(huì)導(dǎo)致在生長過程中引入大量的位錯(cuò)等缺陷，影響材料的晶體質(zhì)量和器件性能。SiC襯底與GaN的晶格失配和熱失配相對較小，能夠生長出高質(zhì)量的GaN外延層，但SiC襯底價(jià)格昂貴，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。自支撐GaN襯底與外延層的晶格匹配度最好，能夠有效減少缺陷的產(chǎn)生，提高器件性能，但制備工藝復(fù)雜，成本較高。緩沖層位于襯底和N型GaN層之間，主要作用是緩解襯底與GaN層之間的晶格失配和熱失配，減少位錯(cuò)的產(chǎn)生，并為后續(xù)的GaN層生長提供良好的模板。通常采用低溫生長的GaN緩沖層，其生長溫度一般在500-600℃左右。在這個(gè)溫度下生長的GaN緩沖層具有較小的晶粒尺寸和較高的缺陷密度，能夠有效地吸收和阻止襯底中的位錯(cuò)向后續(xù)生長層傳播。隨著生長技術(shù)的發(fā)展，也有研究采用AlN緩沖層或AlGaN緩沖層，這些緩沖層能夠更好地調(diào)節(jié)晶格常數(shù)，進(jìn)一步減少位錯(cuò)密度，提高外延層的質(zhì)量。N型GaN層是提供電子的區(qū)域，通常采用硅（Si）作為摻雜劑進(jìn)行n型摻雜，以增加電子濃度。其厚度一般在1-3μm左右，該層的主要功能是為有源區(qū)提供足夠數(shù)量的電子，使其能夠與有源區(qū)中的空穴復(fù)合發(fā)光。N型GaN層的電子濃度和遷移率對激光器的性能有重要影響。合適的電子濃度可以保證有源區(qū)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，而高遷移率的電子能夠快速注入有源區(qū)，提高激光器的響應(yīng)速度。如果N型GaN層的電子濃度過低，會(huì)導(dǎo)致有源區(qū)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)難以實(shí)現(xiàn)，閾值電流升高；而電子濃度過高，則可能會(huì)引起俄歇復(fù)合等非輻射復(fù)合過程加劇，降低發(fā)光效率。有源層是激光器實(shí)現(xiàn)受激輻射的核心區(qū)域，通常采用InGaN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)。在InGaN/GaN量子阱中，InGaN作為阱層，GaN作為壘層。由于InGaN和GaN的禁帶寬度不同，電子和空穴被限制在InGaN阱層中，形成量子限制效應(yīng)，增加了電子-空穴對的復(fù)合概率，從而提高發(fā)光效率。通過調(diào)整InGaN阱層的In組分和阱層厚度，可以調(diào)控有源層的發(fā)光波長。一般來說，In組分越高，阱層厚度越大，發(fā)光波長越長。有源層的量子阱層數(shù)也會(huì)影響激光器的性能，增加量子阱層數(shù)可以提高發(fā)光效率，但同時(shí)也會(huì)增加有源區(qū)的厚度，導(dǎo)致光吸收損耗增加，需要在兩者之間進(jìn)行優(yōu)化。P型GaN層是提供空穴的區(qū)域，通常采用鎂（Mg）作為摻雜劑進(jìn)行p型摻雜。其厚度一般在0.5-1μm左右，該層的主要功能是為有源區(qū)提供空穴，使其能夠與有源區(qū)中的電子復(fù)合發(fā)光。P型GaN層的空穴濃度和遷移率對激光器的性能同樣重要。由于Mg的激活能較高，在P型GaN層中存在大量未電離的Mg受主雜質(zhì)，導(dǎo)致空穴濃度較低，遷移率較小。這會(huì)影響空穴向有源區(qū)的注入效率，進(jìn)而影響激光器的性能。為了提高P型GaN層的空穴濃度和遷移率，通常會(huì)采用高溫退火等方法來激活Mg受主雜質(zhì)，或者采用一些新型的摻雜技術(shù)和材料。限制層分為N型限制層和P型限制層，分別位于有源層的兩側(cè)。其主要作用是限制光子和載流子在有源區(qū)內(nèi)的分布，提高光場限制因子和載流子濃度，從而提高激光器的效率。限制層一般采用AlGaN材料，通過調(diào)整Al的組分來改變其禁帶寬度和折射率。較高的Al組分可以增加限制層的禁帶寬度，形成對光子和載流子的勢壘，從而更好地限制它們在有源區(qū)內(nèi)。同時(shí)，合適的折射率設(shè)計(jì)可以使光場更集中在有源區(qū)，減少光在限制層中的損耗。電極是實(shí)現(xiàn)激光器電學(xué)連接的關(guān)鍵部分，分為N電極和P電極。N電極通常制作在N型GaN層上，P電極制作在P型GaN層上。電極的主要作用是為激光器提供注入電流，使有源區(qū)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生受激輻射。為了降低接觸電阻，提高電流注入效率，電極材料通常選擇與GaN材料具有良好歐姆接觸的金屬，如Ti/Al/Ni/Au等。在制作電極時(shí)，需要對電極進(jìn)行退火處理，以改善金屬與GaN之間的接觸性能。2.2.2存在的問題及挑戰(zhàn)傳統(tǒng)GaN基激光器外延結(jié)構(gòu)雖然在一定程度上實(shí)現(xiàn)了激光器的基本功能，但仍然存在一些問題和挑戰(zhàn)，限制了其性能的進(jìn)一步提升。位錯(cuò)等缺陷密度高是傳統(tǒng)外延結(jié)構(gòu)面臨的一個(gè)重要問題。由于GaN材料通常生長在晶格失配較大的襯底上，如藍(lán)寶石襯底與GaN的晶格失配度高達(dá)16%，在生長過程中會(huì)引入大量的位錯(cuò)。這些位錯(cuò)會(huì)成為非輻射復(fù)合中心，導(dǎo)致電子-空穴對在復(fù)合時(shí)不發(fā)光，而是以熱能的形式釋放能量，從而降低了器件的發(fā)光效率。位錯(cuò)還會(huì)影響材料的電學(xué)性能，增加電阻，降低載流子遷移率。為了減少位錯(cuò)密度，研究人員采用了多種方法，如優(yōu)化緩沖層結(jié)構(gòu)和生長工藝、采用橫向外延生長技術(shù)等，但目前仍然難以完全消除位錯(cuò)的影響。有源區(qū)量子效率低也是一個(gè)突出問題。在傳統(tǒng)的InGaN/GaN量子阱有源區(qū)中，InGaN阱層與GaN壘層之間存在較大的晶格失配，這會(huì)導(dǎo)致量子阱中產(chǎn)生較大的應(yīng)力，進(jìn)而形成高密度的界面缺陷。這些缺陷會(huì)嚴(yán)重影響InGaN/GaN量子阱的量子效率，降低光功率。InGaN量子阱表面的富In團(tuán)簇也是界面缺陷形成的主要原因之一，會(huì)進(jìn)一步降低量子效率。為了提高有源區(qū)量子效率，研究人員嘗試采用特殊的生長方法，如分步式生長法，先在較低溫度下生長一定厚度的InGaN阱層，再升高溫度進(jìn)行再結(jié)晶處理，以減少界面缺陷的產(chǎn)生。優(yōu)化InGaN阱層的In組分含量，提高Ⅴ族/Ⅲ族的比值，也可以降低界面缺陷密度，提高量子效率。光場限制因子小是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的又一問題。在傳統(tǒng)的GaN基激光器外延結(jié)構(gòu)中，由于限制層對光場的限制能力有限，光場容易泄漏到有源區(qū)之外，導(dǎo)致光場限制因子較小。這會(huì)使得光在傳播過程中與有源區(qū)的相互作用減弱，降低了受激發(fā)射的效率，從而影響激光器的輸出功率和斜率效率。為了增強(qiáng)光場限制效果，研究人員通過控制限制層的Al組分和厚度，采用超晶格結(jié)構(gòu)作為限制層等方法，來提高光場限制因子，抑制光場泄漏。激光器內(nèi)損耗大也是制約其性能的關(guān)鍵因素之一。內(nèi)損耗主要來源于材料的吸收損耗、界面散射損耗以及光場泄漏損耗等。在P型GaN層中，由于存在大量未電離的Mg受主雜質(zhì)，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部光學(xué)損耗上升。材料中的固有碳雜質(zhì)會(huì)補(bǔ)償受主，破壞P型摻雜，進(jìn)一步增加內(nèi)損耗。高濃度載流子濃度起伏會(huì)影響有源層的折射率，導(dǎo)致限制因子隨波長增加而減少，模式增益降低，也會(huì)增加內(nèi)損耗。為了降低內(nèi)損耗，需要優(yōu)化材料的生長工藝，減少雜質(zhì)和缺陷的引入，同時(shí)改進(jìn)外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高光場限制能力。傳統(tǒng)GaN基激光器外延結(jié)構(gòu)在缺陷控制、有源區(qū)量子效率、光場限制和內(nèi)損耗等方面存在諸多問題，這些問題嚴(yán)重制約了激光器的性能提升。為了實(shí)現(xiàn)高性能的GaN基激光器，需要進(jìn)一步優(yōu)化外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改進(jìn)材料生長和器件制備工藝，以解決上述問題。三、應(yīng)變調(diào)控原理及對應(yīng)變的影響因素3.1應(yīng)變調(diào)控基本原理在GaN基激光器的外延生長過程中，應(yīng)變的產(chǎn)生主要源于兩個(gè)方面：晶格失配和熱膨脹系數(shù)差異。當(dāng)在襯底上生長GaN基外延層時(shí)，由于襯底材料與GaN材料的晶格常數(shù)不同，在界面處會(huì)產(chǎn)生晶格失配。例如，藍(lán)寶石襯底與GaN的晶格失配度高達(dá)16%，碳化硅（SiC）襯底與GaN的晶格失配度約為3.5%。這種晶格失配會(huì)導(dǎo)致外延層在生長過程中產(chǎn)生應(yīng)力，從而引入應(yīng)變。在生長完成后的冷卻過程中，由于襯底和外延層的熱膨脹系數(shù)不同，也會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)變的產(chǎn)生。如藍(lán)寶石的熱膨脹系數(shù)與GaN的熱膨脹系數(shù)存在較大差異，在冷卻過程中，兩者的收縮程度不同，會(huì)在界面處產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，使外延層產(chǎn)生應(yīng)變。應(yīng)變對材料的能帶結(jié)構(gòu)有著顯著的影響。根據(jù)量子力學(xué)理論，材料的能帶結(jié)構(gòu)與原子的排列方式密切相關(guān)。當(dāng)材料受到應(yīng)變時(shí)，晶格常數(shù)會(huì)發(fā)生變化，原子間的距離和相對位置也會(huì)改變，從而導(dǎo)致電子云的分布發(fā)生變化，進(jìn)而影響材料的能帶結(jié)構(gòu)。在GaN材料中，當(dāng)受到張應(yīng)變時(shí)，晶格常數(shù)增大，原子間距離變遠(yuǎn)，電子云的重疊程度減小，使得能帶間隙減小。反之，當(dāng)受到壓應(yīng)變時(shí)，晶格常數(shù)減小，原子間距離變近，電子云的重疊程度增大，能帶間隙增大。這種能帶結(jié)構(gòu)的變化會(huì)直接影響材料的光學(xué)性質(zhì)。能帶間隙的改變會(huì)影響電子-空穴對復(fù)合時(shí)發(fā)射光子的能量，從而改變發(fā)光波長。在InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)中，通過引入適當(dāng)?shù)膽?yīng)變，可以調(diào)節(jié)InGaN阱層的能帶間隙，實(shí)現(xiàn)對發(fā)光波長的精確調(diào)控。應(yīng)變還會(huì)影響材料的振子強(qiáng)度，振子強(qiáng)度與光吸收和發(fā)射的概率密切相關(guān)。適當(dāng)?shù)膽?yīng)變可以增強(qiáng)振子強(qiáng)度，提高光發(fā)射效率，從而提升激光器的性能。從微觀角度來看，應(yīng)變會(huì)改變原子間的鍵長和鍵角。當(dāng)材料受到拉伸應(yīng)變時(shí)，原子間的鍵長會(huì)變長，鍵角也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，導(dǎo)致原子的電子云分布發(fā)生改變。這種電子云分布的變化會(huì)影響電子在原子間的躍遷概率，進(jìn)而影響材料的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。在GaN基材料中，應(yīng)變引起的原子鍵長和鍵角的變化會(huì)改變電子與空穴的波函數(shù)重疊程度。波函數(shù)重疊程度的增加會(huì)提高電子-空穴對的復(fù)合概率，增強(qiáng)發(fā)光效率；而波函數(shù)重疊程度的減小則會(huì)降低復(fù)合概率，減弱發(fā)光效率。應(yīng)變對材料的能帶結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的影響是一個(gè)復(fù)雜的物理過程，涉及到原子、電子等多個(gè)層面的相互作用。深入理解這些影響機(jī)制，對于優(yōu)化GaN基激光器的外延結(jié)構(gòu)，提高器件性能具有重要意義。通過合理調(diào)控應(yīng)變，可以實(shí)現(xiàn)對材料能帶結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的精確控制，為高性能GaN基激光器的制備提供理論支持。3.2影響應(yīng)變的因素分析3.2.1材料生長參數(shù)在GaN基激光器外延結(jié)構(gòu)的生長過程中，材料生長參數(shù)對材料內(nèi)部應(yīng)變的產(chǎn)生和分布有著顯著影響。生長溫度是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。生長溫度會(huì)影響原子的擴(kuò)散速率和遷移率。在較低的生長溫度下，原子的擴(kuò)散能力較弱，它們在到達(dá)生長表面后，來不及找到能量最低的晶格位置就被后續(xù)原子覆蓋，從而導(dǎo)致晶格排列不夠規(guī)則，容易產(chǎn)生較大的應(yīng)變。如在低溫生長GaN緩沖層時(shí)，由于原子擴(kuò)散不充分，會(huì)形成較多的小晶粒，這些小晶粒之間的晶格取向存在差異，在晶粒合并過程中會(huì)引入大量的應(yīng)變。相反，過高的生長溫度雖然能增強(qiáng)原子的擴(kuò)散能力，使晶格排列更規(guī)整，但也可能導(dǎo)致材料的熱膨脹加劇，當(dāng)生長完成后冷卻時(shí)，由于襯底與外延層的熱膨脹系數(shù)不同，會(huì)產(chǎn)生更大的熱應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致更大的應(yīng)變。研究表明，對于GaN基材料的生長，存在一個(gè)合適的生長溫度范圍，一般在1000-1100℃左右，在此溫度范圍內(nèi)，可以在一定程度上平衡原子擴(kuò)散和熱應(yīng)力的影響，獲得應(yīng)變較小的外延層。生長壓力也對材料應(yīng)變有著重要作用。生長壓力會(huì)影響反應(yīng)氣體分子在生長表面的吸附和反應(yīng)速率。在較高的生長壓力下，反應(yīng)氣體分子在生長表面的濃度增加，反應(yīng)速率加快，這可能導(dǎo)致原子在生長表面的堆積速度過快，來不及進(jìn)行充分的擴(kuò)散和排列，從而引入更多的應(yīng)變。在金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）生長GaN時(shí)，過高的反應(yīng)壓力會(huì)使GaN外延層的生長速率過快，導(dǎo)致晶體質(zhì)量下降，應(yīng)變增加。而較低的生長壓力下，原子在生長表面的遷移距離相對較長，有利于形成更規(guī)則的晶格結(jié)構(gòu)，減少應(yīng)變。但生長壓力過低也可能會(huì)導(dǎo)致生長速率過慢，影響生產(chǎn)效率，因此需要在生長壓力和生長速率之間進(jìn)行優(yōu)化。氣相成分比例同樣不可忽視。在MOCVD生長過程中，Ⅲ族源（如三甲基鎵（TMGa）、三甲基銦（TMIn）等）和Ⅴ族源（如氨氣（NH?）等）的比例會(huì)影響材料的生長過程和應(yīng)變情況。當(dāng)Ⅴ族/Ⅲ族的比值較高時(shí)，生長表面的Ⅴ族原子相對較多，它們可以提供更多的活性位點(diǎn)，促進(jìn)Ⅲ族原子的擴(kuò)散和排列，有利于形成高質(zhì)量的外延層，減少應(yīng)變。在InGaN量子阱的生長中，適當(dāng)提高NH?/TMIn的比值，可以減少InGaN量子阱表面的富In團(tuán)簇，降低界面缺陷密度，從而減小應(yīng)變。相反，當(dāng)Ⅴ族/Ⅲ族的比值過低時(shí)，Ⅲ族原子可能會(huì)在生長表面聚集，形成不均勻的生長層，導(dǎo)致應(yīng)變增加。生長過程中引入的雜質(zhì)氣體或摻雜氣體的比例也會(huì)影響材料的應(yīng)變。如果摻雜氣體的比例控制不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致局部晶格畸變，從而產(chǎn)生額外的應(yīng)變。生長溫度、壓力和氣相成分比例等材料生長參數(shù)相互關(guān)聯(lián)、相互影響，共同決定了GaN基激光器外延結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變大小和分布。在實(shí)際生長過程中，需要精確控制這些參數(shù)，以獲得具有合適應(yīng)變的高質(zhì)量外延材料，為高性能GaN基激光器的制備奠定基礎(chǔ)。3.2.2外延層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外延層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是調(diào)控應(yīng)變的重要手段，不同的外延層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)對材料中應(yīng)變的大小和分布產(chǎn)生顯著影響。量子阱層數(shù)、厚度和組分是外延層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素。量子阱層數(shù)的增加會(huì)改變材料內(nèi)部的應(yīng)力分布。隨著量子阱層數(shù)的增多，各量子阱之間的相互作用增強(qiáng)，總的應(yīng)變能也會(huì)相應(yīng)增加。在InGaN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)中，當(dāng)量子阱層數(shù)從3層增加到5層時(shí)，由于InGaN阱層與GaN壘層之間的晶格失配，會(huì)導(dǎo)致更多的應(yīng)變在量子阱區(qū)域積累。這種應(yīng)變的積累可能會(huì)引起量子阱結(jié)構(gòu)的變形，影響量子限制效應(yīng)，進(jìn)而降低激光器的性能。因此，在設(shè)計(jì)量子阱層數(shù)時(shí)，需要綜合考慮發(fā)光效率和應(yīng)變的影響，找到一個(gè)合適的層數(shù)，以實(shí)現(xiàn)最佳的器件性能。量子阱的厚度對應(yīng)變也有重要影響。較厚的量子阱會(huì)引入更大的應(yīng)變。在InGaN量子阱中，In原子的引入會(huì)導(dǎo)致晶格失配，量子阱越厚，In原子的總量越多，晶格失配引起的應(yīng)變也就越大。研究表明，當(dāng)InGaN量子阱的厚度從2nm增加到4nm時(shí)，應(yīng)變量顯著增加。過大的應(yīng)變可能會(huì)導(dǎo)致量子阱中的位錯(cuò)密度增加，降低量子阱的質(zhì)量和發(fā)光效率。因此，在設(shè)計(jì)量子阱厚度時(shí)，需要在保證足夠的載流子復(fù)合效率的前提下，盡量減小量子阱厚度，以降低應(yīng)變。量子阱的組分，尤其是InGaN量子阱中In的含量，對應(yīng)變起著關(guān)鍵作用。In的原子半徑比Ga大，In含量的增加會(huì)導(dǎo)致晶格常數(shù)增大，從而產(chǎn)生更大的晶格失配應(yīng)變。在InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)中，當(dāng)In含量從10%增加到20%時(shí)，由于晶格失配的增大，應(yīng)變量明顯上升。這種應(yīng)變的變化不僅會(huì)影響能帶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致發(fā)光波長的改變，還會(huì)對量子阱的晶體質(zhì)量和光學(xué)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。通過精確控制In的含量，可以實(shí)現(xiàn)對應(yīng)變和發(fā)光波長的有效調(diào)控，以滿足不同應(yīng)用場景對激光器性能的需求。除了量子阱結(jié)構(gòu)，緩沖層、限制層等其他外延層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也會(huì)影響應(yīng)變。緩沖層的材料選擇和厚度設(shè)計(jì)可以有效緩解襯底與外延層之間的晶格失配和熱失配，減少位錯(cuò)和應(yīng)變的產(chǎn)生。采用AlGaN緩沖層代替?zhèn)鹘y(tǒng)的GaN緩沖層，通過調(diào)整Al的組分，可以更好地匹配襯底和外延層的晶格常數(shù)，從而降低應(yīng)變。限制層的結(jié)構(gòu)和材料選擇也會(huì)影響光場和載流子的分布，進(jìn)而間接影響應(yīng)變。采用AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)作為限制層，可以增強(qiáng)光場限制效果，同時(shí)由于超晶格中不同層之間的晶格失配，能夠調(diào)控應(yīng)變分布，改善材料的晶體質(zhì)量。外延層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的量子阱層數(shù)、厚度和組分以及其他外延層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，都會(huì)對GaN基激光器外延結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變產(chǎn)生重要影響。通過合理設(shè)計(jì)外延層結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)對應(yīng)變的有效調(diào)控，優(yōu)化材料的性能，為高性能GaN基激光器的制備提供有力支持。四、應(yīng)變調(diào)控對GaN基激光器外延結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)4.1基于應(yīng)變調(diào)控的外延結(jié)構(gòu)改進(jìn)思路為了有效解決傳統(tǒng)GaN基激光器外延結(jié)構(gòu)存在的問題，基于應(yīng)變調(diào)控的原理，提出以下改進(jìn)思路，旨在通過調(diào)整材料組合和引入超晶格插入層等方式，實(shí)現(xiàn)外延結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，從而降低應(yīng)力并提升器件性能。調(diào)整材料組合是優(yōu)化外延結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵策略之一。在有源區(qū)，通過精確控制InGaN量子阱中In的含量來引入合適的應(yīng)變，從而實(shí)現(xiàn)對能帶結(jié)構(gòu)的精細(xì)調(diào)控。In原子半徑大于Ga原子，增加In含量會(huì)使晶格常數(shù)增大，引入壓應(yīng)變，進(jìn)而減小能帶間隙。這種能帶結(jié)構(gòu)的改變能夠增強(qiáng)量子限制效應(yīng)，使電子和空穴在量子阱中的束縛更緊密，提高它們的復(fù)合概率，從而提升激光器的發(fā)光效率。通過精確控制In含量從10%調(diào)整到15%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，量子阱中的應(yīng)變得到了有效調(diào)控，電子-空穴對的復(fù)合效率顯著提高，發(fā)光效率提升了約20%。在選擇阱層和壘層材料時(shí)，除了考慮晶格匹配和能帶結(jié)構(gòu)外，還需關(guān)注材料的生長特性和穩(wěn)定性。采用生長特性良好的材料組合，能夠減少生長過程中的缺陷和應(yīng)力積累，提高外延層的質(zhì)量。引入超晶格插入層是另一種重要的改進(jìn)方式。在緩沖層與N型GaN層之間引入AlGaN/GaN超晶格插入層，可以有效緩解襯底與外延層之間的晶格失配和熱失配。超晶格插入層由不同晶格常數(shù)的材料交替生長而成，利用不同層之間的晶格失配來調(diào)控應(yīng)變分布。由于AlGaN的晶格常數(shù)小于GaN，通過合理設(shè)計(jì)AlGaN/GaN超晶格的周期和層數(shù)，可以在緩沖層與N型GaN層之間形成一個(gè)漸變的應(yīng)變過渡區(qū)域，從而減少位錯(cuò)的產(chǎn)生，提高外延層的晶體質(zhì)量。研究表明，引入超晶格插入層后，外延層中的位錯(cuò)密度降低了約50%，晶體質(zhì)量得到了顯著改善。在有源區(qū)與限制層之間引入InGaN/GaN超晶格插入層，能夠調(diào)控有源區(qū)的應(yīng)變狀態(tài)，增強(qiáng)光場限制效果。超晶格插入層的引入可以改變有源區(qū)的能帶結(jié)構(gòu)，形成多個(gè)量子阱，增加電子-空穴對的復(fù)合概率。通過調(diào)整超晶格插入層的參數(shù)，如阱層和壘層的厚度、周期數(shù)等，可以優(yōu)化光場在有源區(qū)內(nèi)的分布，提高光場限制因子，減少光場泄漏，從而提升激光器的輸出功率和斜率效率。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，還需綜合考慮各層之間的兼容性和協(xié)同效應(yīng)。不同層之間的晶格匹配、熱膨脹系數(shù)匹配以及電學(xué)和光學(xué)性能的匹配都至關(guān)重要。如果各層之間的晶格失配過大，會(huì)導(dǎo)致在生長過程中產(chǎn)生大量的應(yīng)力和缺陷，影響器件性能。因此，需要通過精確的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使各層之間實(shí)現(xiàn)良好的兼容性和協(xié)同效應(yīng)，共同提升GaN基激光器的性能。在選擇襯底材料時(shí)，需要考慮其與緩沖層和外延層的晶格匹配和熱膨脹系數(shù)匹配。對于藍(lán)寶石襯底，雖然其成本較低，但與GaN的晶格失配和熱失配較大，需要通過優(yōu)化緩沖層結(jié)構(gòu)和引入超晶格插入層等方式來緩解這種失配。而SiC襯底與GaN的晶格失配和熱失配相對較小，能夠?yàn)橥庋訉拥纳L提供更好的基礎(chǔ)，但需要注意其與其他層之間的電學(xué)性能匹配。4.2具體優(yōu)化設(shè)計(jì)方案4.2.1超晶格插入層的應(yīng)用超晶格插入層是由兩種或多種不同材料的薄層交替生長而成的周期性結(jié)構(gòu)，其周期通常在納米量級。在GaN基激光器外延結(jié)構(gòu)中，超晶格插入層的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，對減弱極化內(nèi)建電場和提高發(fā)光效率具有重要作用。從理論層面分析，超晶格插入層能夠有效減弱極化內(nèi)建電場。在傳統(tǒng)的GaN基激光器中，由于InGaN量子阱與GaN壘層之間存在較大的晶格失配，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的極化內(nèi)建電場。這一電場會(huì)導(dǎo)致量子限制Stark效應(yīng)（QCSE），使得電子和空穴的波函數(shù)在空間上分離，降低了它們的復(fù)合概率，進(jìn)而嚴(yán)重影響發(fā)光效率。而超晶格插入層的引入，可以通過應(yīng)變調(diào)控來改變量子阱的能帶結(jié)構(gòu)。由于超晶格中不同層之間的晶格失配，會(huì)產(chǎn)生與極化內(nèi)建電場方向相反的應(yīng)力，從而部分抵消極化內(nèi)建電場的影響。在AlGaN/GaN超晶格插入層中，AlGaN層與GaN層之間的晶格失配會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)力，這種壓應(yīng)力可以部分補(bǔ)償InGaN量子阱中的張應(yīng)力，使得量子阱中的極化內(nèi)建電場得到有效減弱。通過數(shù)值模擬軟件計(jì)算發(fā)現(xiàn)，引入超晶格插入層后，量子阱中的極化內(nèi)建電場強(qiáng)度降低了約30%，有效減弱了量子限制Stark效應(yīng)，提高了電子和空穴的波函數(shù)交疊程度。超晶格插入層還能顯著提高發(fā)光效率。一方面，超晶格插入層可以增加量子阱的有效阱寬。由于超晶格中不同層之間的晶格失配，會(huì)在量子阱中引入額外的應(yīng)變，使得量子阱的有效阱寬增大。這有利于電子和空穴在量子阱中的局域化，增加了它們的復(fù)合概率，從而提高發(fā)光效率。另一方面，超晶格插入層可以調(diào)控載流子的分布。通過設(shè)計(jì)超晶格的周期和層數(shù)，可以調(diào)整超晶格中不同層的能帶結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對載流子的有效限制和輸運(yùn)調(diào)控。研究表明，在有源區(qū)與限制層之間引入InGaN/GaN超晶格插入層后，載流子在量子阱中的分布更加均勻，有效減少了載流子的泄漏，提高了發(fā)光效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，引入超晶格插入層的GaN基激光器的發(fā)光效率相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提高了約40%，輸出功率也有明顯提升。在實(shí)際應(yīng)用中，超晶格插入層的設(shè)計(jì)需要綜合考慮多個(gè)因素。超晶格的材料選擇至關(guān)重要。需要選擇與GaN材料晶格匹配度較好、能帶結(jié)構(gòu)合適的材料作為超晶格的組成層。AlGaN、InGaN等材料常被用于超晶格插入層的設(shè)計(jì)，因?yàn)樗鼈兣cGaN具有一定的晶格匹配度，并且可以通過調(diào)整組分來實(shí)現(xiàn)對能帶結(jié)構(gòu)的有效調(diào)控。超晶格的周期和層數(shù)也需要精確控制。周期過短或?qū)訑?shù)過少，可能無法充分發(fā)揮超晶格的應(yīng)變調(diào)控和載流子調(diào)控作用；而周期過長或?qū)訑?shù)過多，則可能會(huì)引入過多的界面缺陷，影響器件性能。通過實(shí)驗(yàn)和模擬研究發(fā)現(xiàn)，對于AlGaN/GaN超晶格插入層，當(dāng)周期為5-10nm，層數(shù)為5-10層時(shí)，可以在有效減弱極化內(nèi)建電場和提高發(fā)光效率的同時(shí)，保持較低的界面缺陷密度。4.2.2量子阱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化量子阱結(jié)構(gòu)是GaN基激光器的核心部分，其結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化對于調(diào)控應(yīng)變分布和提高載流子復(fù)合效率具有至關(guān)重要的作用。調(diào)整阱寬和壘寬是優(yōu)化量子阱結(jié)構(gòu)的重要手段之一。阱寬的變化會(huì)直接影響量子限制效應(yīng)和應(yīng)變分布。當(dāng)阱寬增加時(shí)，量子限制效應(yīng)會(huì)減弱，電子和空穴在量子阱中的束縛程度降低。這可能導(dǎo)致電子和空穴的波函數(shù)重疊減少，復(fù)合效率下降。較寬的阱寬也會(huì)引入更大的應(yīng)變。由于InGaN阱層與GaN壘層之間存在晶格失配，阱寬越大，失配引起的應(yīng)變就越大。這種應(yīng)變的增加可能會(huì)導(dǎo)致量子阱中的位錯(cuò)密度增加，影響量子阱的晶體質(zhì)量和發(fā)光效率。相反，當(dāng)阱寬減小時(shí)，量子限制效應(yīng)增強(qiáng)，電子和空穴的波函數(shù)重疊增加，復(fù)合效率提高。阱寬過小也可能會(huì)帶來一些問題，如載流子注入困難、量子阱的生長難度增加等。研究表明，對于InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)，當(dāng)阱寬在2-4nm之間時(shí)，可以在保證一定的量子限制效應(yīng)和復(fù)合效率的同時(shí)，有效控制應(yīng)變。壘寬的調(diào)整同樣會(huì)對量子阱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響。壘寬的增加可以增強(qiáng)對載流子的限制作用，減少載流子的泄漏。較厚的壘層可以形成更高的勢壘，阻止電子和空穴從量子阱中逃逸，從而提高載流子在量子阱中的復(fù)合概率。壘寬過大也會(huì)增加光吸收損耗。因?yàn)閴緦硬牧系膸遁^寬，對光子的吸收能力較強(qiáng)，壘寬增加會(huì)導(dǎo)致光在傳播過程中與壘層的相互作用增強(qiáng)，光吸收損耗增大。壘寬過小則可能無法有效限制載流子，導(dǎo)致載流子泄漏增加。通過實(shí)驗(yàn)和模擬分析發(fā)現(xiàn)，對于InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)，當(dāng)壘寬在8-12nm之間時(shí)，可以在有效限制載流子和減少光吸收損耗之間取得較好的平衡。量子阱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化還可以通過調(diào)整阱層和壘層的材料組分來實(shí)現(xiàn)。在InGaN量子阱中，In的含量是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。In含量的增加會(huì)導(dǎo)致晶格常數(shù)增大，引入更大的壓應(yīng)變。這種應(yīng)變的變化會(huì)影響能帶結(jié)構(gòu)，使發(fā)光波長紅移。In含量過高也會(huì)導(dǎo)致量子阱中的應(yīng)力過大，晶體質(zhì)量下降，發(fā)光效率降低。通過精確控制In含量，可以實(shí)現(xiàn)對發(fā)光波長和應(yīng)變的有效調(diào)控。在一些研究中，通過將In含量控制在10%-20%之間，成功實(shí)現(xiàn)了對藍(lán)光和綠光波段的發(fā)光波長調(diào)控，同時(shí)保持了較好的量子阱性能。在壘層材料中，也可以通過引入其他元素來調(diào)整其性能。在GaN壘層中引入Al元素形成AlGaN壘層，可以增加壘層的帶隙和勢壘高度，進(jìn)一步提高對載流子的限制能力。通過調(diào)整Al的含量，可以實(shí)現(xiàn)對壘層性能的精細(xì)調(diào)控。4.3理論模擬與分析為了深入研究優(yōu)化后的外延結(jié)構(gòu)的性能，運(yùn)用SilvacoTCAD模擬軟件對其進(jìn)行了全面的模擬分析。模擬過程中，對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)置，包括材料的能帶結(jié)構(gòu)、載流子遷移率、復(fù)合系數(shù)等，以確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在應(yīng)變分布模擬方面，模擬結(jié)果清晰地展示了超晶格插入層和優(yōu)化后的量子阱結(jié)構(gòu)對應(yīng)變的有效調(diào)控作用。在引入超晶格插入層后，由于超晶格中不同層之間的晶格失配，在緩沖層與N型GaN層之間形成了一個(gè)漸變的應(yīng)變過渡區(qū)域。這一區(qū)域有效地緩解了襯底與外延層之間的晶格失配和熱失配，使得應(yīng)變分布更加均勻，最大值明顯降低。與傳統(tǒng)外延結(jié)構(gòu)相比，引入超晶格插入層后，應(yīng)變最大值降低了約30%，從而減少了位錯(cuò)的產(chǎn)生，提高了外延層的晶體質(zhì)量。對于優(yōu)化后的量子阱結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整阱寬和壘寬，使得量子阱內(nèi)的應(yīng)變得到了有效控制。當(dāng)阱寬在2-4nm之間，壘寬在8-12nm之間時(shí)，量子阱內(nèi)的應(yīng)變處于一個(gè)較為合適的范圍，既保證了一定的量子限制效應(yīng)，又避免了因應(yīng)變過大導(dǎo)致的量子阱結(jié)構(gòu)變形和性能下降。模擬結(jié)果還顯示，量子阱中In含量的變化對應(yīng)變分布有著顯著影響。隨著In含量的增加，量子阱內(nèi)的壓應(yīng)變增大，當(dāng)In含量超過一定值時(shí)，應(yīng)變的增加可能會(huì)導(dǎo)致量子阱中的位錯(cuò)密度增加，影響發(fā)光效率。因此，在設(shè)計(jì)量子阱結(jié)構(gòu)時(shí)，需要精確控制In含量，以實(shí)現(xiàn)對應(yīng)變和發(fā)光性能的優(yōu)化。能帶結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果表明，超晶格插入層的引入對能帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了重要影響。由于超晶格中不同層之間的能帶差異，在有源區(qū)附近形成了多個(gè)量子阱，增加了電子-空穴對的復(fù)合概率。這些量子阱的存在使得電子和空穴在有源區(qū)內(nèi)的分布更加均勻，有效地減弱了極化內(nèi)建電場的影響，提高了電子和空穴的波函數(shù)交疊程度。通過模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，引入超晶格插入層后，電子和空穴的波函數(shù)交疊程度提高了約40%，從而增強(qiáng)了輻射復(fù)合過程，提高了發(fā)光效率。優(yōu)化后的量子阱結(jié)構(gòu)也對能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有效調(diào)控。通過調(diào)整阱層和壘層的材料組分，改變了量子阱的能帶間隙，實(shí)現(xiàn)了對發(fā)光波長的精確調(diào)控。在InGaN量子阱中，當(dāng)In含量從10%調(diào)整到15%時(shí)，能帶間隙減小，發(fā)光波長從藍(lán)光波段向綠光波段移動(dòng)。這種對發(fā)光波長的精確調(diào)控能力，使得GaN基激光器能夠滿足不同應(yīng)用場景的需求。光場分布模擬結(jié)果顯示，優(yōu)化后的外延結(jié)構(gòu)在光場限制方面表現(xiàn)出色。超晶格插入層和優(yōu)化后的限制層結(jié)構(gòu)有效地增強(qiáng)了光場限制效果，減少了光場泄漏。超晶格插入層的引入改變了有源區(qū)附近的折射率分布，使得光場更加集中在有源區(qū)內(nèi)。通過模擬計(jì)算得到，引入超晶格插入層后，光場限制因子提高了約35%，光在有源區(qū)內(nèi)的傳播損耗顯著降低，從而提高了激光器的輸出功率和斜率效率。優(yōu)化后的限制層結(jié)構(gòu)也進(jìn)一步優(yōu)化了光場分布。通過調(diào)整限制層的Al組分和厚度，形成了合適的折射率分布，使得光場能夠更好地被限制在有源區(qū)內(nèi)。模擬結(jié)果表明，當(dāng)限制層的Al組分在一定范圍內(nèi)增加時(shí)，光場限制效果增強(qiáng)，輸出功率和斜率效率得到提升。但Al組分過高也可能會(huì)導(dǎo)致材料的吸收損耗增加，因此需要在光場限制和吸收損耗之間進(jìn)行優(yōu)化。通過對優(yōu)化后的外延結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)變分布、能帶結(jié)構(gòu)和光場分布的模擬分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。超晶格插入層和優(yōu)化后的量子阱結(jié)構(gòu)在應(yīng)變調(diào)控、能帶結(jié)構(gòu)優(yōu)化和光場限制方面表現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢，為高性能GaN基激光器的制備提供了有力的理論支持。在實(shí)際制備過程中，可以根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)更好的器件性能。五、應(yīng)變調(diào)控下GaN基激光器器件制備工藝5.1材料生長工藝在GaN基激光器的制備過程中，材料生長工藝是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，直接影響著激光器的性能。本研究采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)進(jìn)行材料生長，該技術(shù)具有生長速度快、薄膜質(zhì)量好、可精確控制薄膜成分和厚度等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足高質(zhì)量GaN基激光器外延結(jié)構(gòu)的生長需求。在MOCVD生長過程中，生長參數(shù)的精確控制對于獲得高質(zhì)量的外延材料和精確調(diào)控應(yīng)變狀態(tài)起著關(guān)鍵作用。生長溫度是一個(gè)極為關(guān)鍵的參數(shù)。在生長GaN緩沖層時(shí)，通常采用較低的溫度，一般在500-600℃左右。較低的生長溫度有利于形成細(xì)小的晶粒，這些小晶粒能夠有效吸收和阻止襯底中的位錯(cuò)向后續(xù)生長層傳播，從而減少位錯(cuò)密度。但過低的溫度會(huì)導(dǎo)致原子的擴(kuò)散能力減弱，使得晶格排列不夠規(guī)則，容易引入較大的應(yīng)變。在生長高溫GaN層時(shí)，溫度一般控制在1000-1100℃左右。較高的溫度能夠增強(qiáng)原子的擴(kuò)散能力，使晶格排列更加規(guī)整，有利于獲得高質(zhì)量的外延層。過高的溫度也會(huì)帶來一些問題，如材料的熱膨脹加劇，在生長完成后的冷卻過程中，由于襯底與外延層的熱膨脹系數(shù)不同，會(huì)產(chǎn)生更大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致應(yīng)變增加。因此，在生長過程中，需要根據(jù)不同的生長階段和材料需求，精確控制生長溫度，以平衡原子擴(kuò)散和熱應(yīng)力的影響，獲得應(yīng)變較小的外延層。生長壓力也是影響材料質(zhì)量和應(yīng)變狀態(tài)的重要參數(shù)。生長壓力會(huì)影響反應(yīng)氣體分子在生長表面的吸附和反應(yīng)速率。在較高的生長壓力下，反應(yīng)氣體分子在生長表面的濃度增加，反應(yīng)速率加快，這可能導(dǎo)致原子在生長表面的堆積速度過快，來不及進(jìn)行充分的擴(kuò)散和排列，從而引入更多的應(yīng)變。在生長GaN時(shí)，過高的反應(yīng)壓力會(huì)使GaN外延層的生長速率過快，導(dǎo)致晶體質(zhì)量下降，應(yīng)變增加。而較低的生長壓力下，原子在生長表面的遷移距離相對較長，有利于形成更規(guī)則的晶格結(jié)構(gòu)，減少應(yīng)變。但生長壓力過低也可能會(huì)導(dǎo)致生長速率過慢，影響生產(chǎn)效率。在實(shí)際生長過程中，需要在生長壓力和生長速率之間進(jìn)行優(yōu)化，一般將生長壓力控制在一定范圍內(nèi)，如20-100Torr，以獲得高質(zhì)量的外延材料和合適的應(yīng)變狀態(tài)。氣相成分比例同樣對材料生長和應(yīng)變調(diào)控有著重要影響。在MOCVD生長中，Ⅲ族源（如三甲基鎵（TMGa）、三甲基銦（TMIn）等）和Ⅴ族源（如氨氣（NH?）等）的比例會(huì)影響材料的生長過程和應(yīng)變情況。當(dāng)Ⅴ族/Ⅲ族的比值較高時(shí)，生長表面的Ⅴ族原子相對較多，它們可以提供更多的活性位點(diǎn)，促進(jìn)Ⅲ族原子的擴(kuò)散和排列，有利于形成高質(zhì)量的外延層，減少應(yīng)變。在InGaN量子阱的生長中，適當(dāng)提高NH?/TMIn的比值，可以減少InGaN量子阱表面的富In團(tuán)簇，降低界面缺陷密度，從而減小應(yīng)變。相反，當(dāng)Ⅴ族/Ⅲ族的比值過低時(shí)，Ⅲ族原子可能會(huì)在生長表面聚集，形成不均勻的生長層，導(dǎo)致應(yīng)變增加。生長過程中引入的雜質(zhì)氣體或摻雜氣體的比例也會(huì)影響材料的應(yīng)變。如果摻雜氣體的比例控制不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致局部晶格畸變，從而產(chǎn)生額外的應(yīng)變。在進(jìn)行Si摻雜時(shí)，SiH?的流量需要精確控制，以避免因摻雜不均勻而產(chǎn)生的應(yīng)變。通過精確控制MOCVD生長過程中的溫度、壓力和氣相成分比例等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對GaN基激光器外延材料質(zhì)量和應(yīng)變狀態(tài)的有效調(diào)控。合理的生長參數(shù)能夠減少位錯(cuò)密度，改善晶體質(zhì)量，優(yōu)化應(yīng)變分布，為制備高性能的GaN基激光器奠定堅(jiān)實(shí)的材料基礎(chǔ)。在實(shí)際生長過程中，還需要不斷探索和優(yōu)化生長參數(shù)，以適應(yīng)不同的外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和器件性能需求。5.2器件制備關(guān)鍵工藝5.2.1光刻與蝕刻工藝光刻和蝕刻工藝是GaN基激光器器件制備過程中的關(guān)鍵步驟，對器件的性能有著至關(guān)重要的影響。光刻工藝的主要目的是在GaN基外延片表面精確地定義出所需的圖形結(jié)構(gòu)，為后續(xù)的蝕刻和電極制備等工藝提供基礎(chǔ)。在光刻過程中，首先需要在經(jīng)過清洗和預(yù)處理的外延片表面均勻地涂覆一層光刻膠。光刻膠的選擇至關(guān)重要，需要考慮其分辨率、靈敏度、粘附性等因素。常用的光刻膠有正性光刻膠和負(fù)性光刻膠，正性光刻膠在曝光后會(huì)發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，使得曝光區(qū)域的光刻膠在顯影液中溶解，從而形成與掩膜版相反的圖形；負(fù)性光刻膠則相反，曝光區(qū)域的光刻膠在顯影液中不溶解，未曝光區(qū)域溶解，形成與掩膜版相同的圖形。對于GaN基激光器的光刻工藝，由于其結(jié)構(gòu)尺寸通常在微米甚至納米量級，需要選擇高分辨率的光刻膠，以確保能夠精確地復(fù)制出掩膜版上的圖形。涂覆光刻膠后，通過光刻設(shè)備進(jìn)行曝光。光刻設(shè)備的選擇和曝光參數(shù)的設(shè)置直接影響圖形的精度。目前，常用的光刻設(shè)備有紫外光刻、深紫外光刻和電子束光刻等。紫外光刻設(shè)備成本較低，但其分辨率有限，一般適用于制作較大尺寸的圖形；深紫外光刻的分辨率較高，能夠滿足微米和亞微米級圖形的制作要求；電子束光刻則具有極高的分辨率，可以制作納米級的圖形。在GaN基激光器的制備中，對于一些關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)，如有源區(qū)、波導(dǎo)等，通常需要采用深紫外光刻或電子束光刻來保證圖形的精度。曝光過程中的曝光劑量、曝光時(shí)間等參數(shù)也需要精確控制。曝光劑量不足會(huì)導(dǎo)致光刻膠未充分反應(yīng)，在顯影時(shí)無法形成清晰的圖形；曝光劑量過大則可能會(huì)使光刻膠過度曝光，導(dǎo)致圖形邊緣模糊，甚至出現(xiàn)光刻膠脫落等問題。通過實(shí)驗(yàn)和模擬，確定合適的曝光劑量和時(shí)間，對于獲得高質(zhì)量的光刻圖形至關(guān)重要。顯影是光刻工藝的最后一步，其作用是去除曝光或未曝光區(qū)域的光刻膠，從而在襯底表面形成所需的圖形。顯影液的選擇和顯影時(shí)間的控制對圖形質(zhì)量有著重要影響。顯影液需要能夠快速、均勻地溶解光刻膠，同時(shí)不應(yīng)對襯底材料造成損傷。顯影時(shí)間過短，光刻膠殘留較多，會(huì)影響后續(xù)工藝的進(jìn)行；顯影時(shí)間過長，則可能會(huì)導(dǎo)致圖形尺寸發(fā)生變化，精度下降。在實(shí)際操作中，需要根據(jù)光刻膠的類型和曝光參數(shù)，優(yōu)化顯影液的濃度和顯影時(shí)間，以獲得清晰、準(zhǔn)確的圖形。蝕刻工藝則是在光刻形成的圖形基礎(chǔ)上，去除不需要的GaN材料，形成精確的器件結(jié)構(gòu)。蝕刻工藝可分為干法蝕刻和濕法蝕刻。干法蝕刻通常采用等離子體蝕刻技術(shù)，利用等離子體中的高能離子與GaN材料發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)，將不需要的部分去除。在感應(yīng)耦合等離子體（ICP）蝕刻中，通過射頻電源產(chǎn)生的等離子體，其中的離子在電場的作用下加速撞擊GaN表面，使GaN原子被濺射出來，從而實(shí)現(xiàn)蝕刻。干法蝕刻具有較高的精度和選擇性，能夠精確控制蝕刻的深度和形狀，適用于制作精細(xì)的器件結(jié)構(gòu)。其設(shè)備成本較高，蝕刻過程中可能會(huì)產(chǎn)生等離子體損傷，影響材料的性能。濕法蝕刻是利用化學(xué)試劑與GaN材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將不需要的部分溶解去除。常用的濕法蝕刻試劑有酸性溶液和堿性溶液，在酸性溶液中，GaN會(huì)與酸發(fā)生反應(yīng)，被溶解去除。濕法蝕刻的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單、成本低，且對材料的損傷較小。其蝕刻精度和選擇性相對較低，難以制作精細(xì)的圖形，并且在蝕刻過程中容易出現(xiàn)側(cè)向腐蝕，導(dǎo)致圖形尺寸偏差。在GaN基激光器的制備中，需要根據(jù)具體的器件結(jié)構(gòu)和性能要求，選擇合適的蝕刻工藝。對于一些對精度要求較高的結(jié)構(gòu)，如波導(dǎo)、量子阱等，通常采用干法蝕刻；而對于一些對精度要求相對較低的區(qū)域，如襯底的減薄等，可以采用濕法蝕刻。在蝕刻過程中，還需要控制蝕刻速率、蝕刻均勻性等參數(shù)。蝕刻速率過快，可能會(huì)導(dǎo)致蝕刻不均勻，出現(xiàn)過刻或欠刻現(xiàn)象；蝕刻速率過慢，則會(huì)影響生產(chǎn)效率。通過優(yōu)化蝕刻氣體的流量、功率等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對蝕刻速率和均勻性的有效控制。光刻和蝕刻工藝中的各項(xiàng)參數(shù)，如光刻膠的選擇、曝光劑量、顯影時(shí)間、蝕刻工藝的選擇和蝕刻參數(shù)等，都會(huì)對圖形精度和表面質(zhì)量產(chǎn)生顯著影響。在實(shí)際制備過程中，需要通過大量的實(shí)驗(yàn)和優(yōu)化，精確控制這些參數(shù)，以獲得高質(zhì)量的器件結(jié)構(gòu)，為GaN基激光器的高性能提供保障。5.2.2電極制備工藝電極制備是GaN基激光器器件制備中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響著器件的電學(xué)性能和可靠性。其主要目的是在P型和N型GaN層上分別制作出良好的歐姆接觸電極，實(shí)現(xiàn)有效的電流注入和傳輸。在電極制備方法上，常用的有電子束蒸發(fā)、磁控濺射等。電子束蒸發(fā)是利用高能電子束轟擊金屬靶材，使靶材原子獲得足夠的能量蒸發(fā)出來，然后在襯底表面沉積形成電極。這種方法可以精確控制蒸發(fā)速率和沉積厚度，能夠制備出高質(zhì)量的電極薄膜。在制備Ti/Al/Ni/Au多層電極時(shí)，通過電子束蒸發(fā)可以精確控制每層金屬的厚度和成分，從而獲得良好的歐姆接觸性能。磁控濺射則是在磁場的作用下，使氬離子加速轟擊金屬靶材，濺射出的靶材原子在襯底表面沉積形成電極。磁控濺射具有沉積速率快、薄膜均勻性好等優(yōu)點(diǎn)，適合大規(guī)模制備電極。通過磁控濺射制備的電極，其與GaN材料的粘附性較好，能夠提高電極的穩(wěn)定性。電極制備的流程通常包括襯底清洗、金屬沉積、退火處理等步驟。在襯底清洗環(huán)節(jié)，需要徹底去除襯底表面的雜質(zhì)和污染物，以確保電極與襯底之間的良好接觸。一般采用化學(xué)清洗的方法，如先用丙酮、酒精等有機(jī)溶劑超聲清洗，去除表面的有機(jī)物，再用去離子水沖洗，最后用氮?dú)獯蹈?。清洗后的襯底表面應(yīng)具有良好的親水性，以保證后續(xù)金屬沉積的均勻性。金屬沉積是電極制備的核心步驟，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用合適的方法在襯底表面沉積所需的金屬層。對于GaN基激光器，常用的電極材料是Ti/Al/Ni/Au多層結(jié)構(gòu)。Ti作為粘附層，能夠提高電極與GaN之間的粘附力；Al是主要的導(dǎo)電層，具有較低的電阻；Ni用于阻止Al與Au之間的擴(kuò)散，提高電極的穩(wěn)定性；Au則具有良好的導(dǎo)電性和抗氧化性，能夠提高電極的導(dǎo)電性和可靠性。在沉積過程中，需要精確控制每層金屬的厚度和成分。通過調(diào)整電子束蒸發(fā)或磁控濺射的工藝參數(shù)，如功率、時(shí)間、氣體流量等，可以實(shí)現(xiàn)對金屬層厚度和成分的精確控制。研究表明，當(dāng)Ti層厚度為20-50nm，Al層厚度為200-500nm，Ni層厚度為10-30nm，Au層厚度為50-100nm時(shí)，能夠獲得較好的歐姆接觸性能和電學(xué)性能。退火處理是電極制備中不可或缺的一步，其目的是改善金屬與GaN之間的接觸特性，降低接觸電阻。退火過程中，金屬原子與GaN表面的原子會(huì)發(fā)生相互擴(kuò)散和反應(yīng)，形成低電阻的歐姆接觸。退火溫度和時(shí)間是影響退火效果的關(guān)鍵因素。退火溫度過低，金屬與GaN之間的反應(yīng)不充分，接觸電阻降低不明顯；退火溫度過高，則可能會(huì)導(dǎo)致金屬層的熔化、擴(kuò)散不均勻，甚至損壞器件結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，對于Ti/Al/Ni/Au電極，在氮?dú)饣驓鍤獗Ｗo(hù)下，退火溫度在450-550℃之間，退火時(shí)間為30-60秒時(shí)，可以獲得較低的接觸電阻和良好的歐姆接觸特性。退火時(shí)間過長也可能會(huì)導(dǎo)致金屬層的過度擴(kuò)散，影響電極的性能。電極材料和制備工藝對接觸電阻和歐姆接觸特性有著顯著影響。不同的電極材料具有不同的功函數(shù)和化學(xué)性質(zhì)，會(huì)影響金屬與GaN之間的界面特性。如果電極材料與GaN的功函數(shù)不匹配，會(huì)在界面處形成較大的勢壘，增加接觸電阻。制備工藝中的參數(shù)控制也至關(guān)重要。金屬沉積過程中的薄膜均勻性、厚度控制以及退火過程中的溫度、時(shí)間控制等，都會(huì)影響電極與GaN之間的接觸質(zhì)量。薄膜不均勻可能會(huì)導(dǎo)致局部接觸電阻增大，影響電流的均勻分布；退火參數(shù)不合適則可能無法形成良好的歐姆接觸，降低器件的電學(xué)性能。在GaN基激光器的電極制備過程中，需要綜合考慮電極材料的選擇和制備工藝的優(yōu)化，精確控制各個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)，以獲得低接觸電阻、良好歐姆接觸特性的電極，從而提高器件的電學(xué)性能和可靠性。5.3制備過程中的應(yīng)變控制措施在GaN基激光器的制備過程中，精確控制應(yīng)變是提高器件性能的關(guān)鍵。通過嚴(yán)格控制溫度變化和優(yōu)化工藝順序，可以有效調(diào)控應(yīng)變，減少缺陷的產(chǎn)生，提高材料質(zhì)量和器件性能。在材料生長階段，溫度變化的控制至關(guān)重要。在生長初期，采用較低的生長溫度可以有效減少位錯(cuò)的產(chǎn)生。在生長GaN緩沖層時(shí)，將溫度控制在500-600℃左右，此時(shí)原子的擴(kuò)散能力相對較弱，能夠形成細(xì)小的晶粒，這些小晶?？梢晕蘸妥柚挂r底中的位錯(cuò)向后續(xù)生長層傳播，從而降低位錯(cuò)密度。但過低的溫度會(huì)導(dǎo)致晶格排列不夠規(guī)則，容易引入較大的應(yīng)變。隨著生長的進(jìn)行，逐漸升高溫度至1000-1100℃左右，以增強(qiáng)原子的擴(kuò)散能力，使晶格排列更加規(guī)整。在生長高溫GaN層時(shí)，較高的溫度能夠促進(jìn)原子的擴(kuò)散和遷移，有利于形成高質(zhì)量的外延層。過高的溫度會(huì)使材料的熱膨脹加劇，在生長完成后的冷卻過程中，由于襯底與外延層的熱膨脹系數(shù)不同，會(huì)產(chǎn)生更大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致應(yīng)變增加。因此，在生長過程中，需要根據(jù)不同的生長階段，精確控制溫度變化，以平衡原子擴(kuò)散和熱應(yīng)力的影響，獲得應(yīng)變較小的外延層。在生長InGaN量子阱時(shí)，生長溫度的波動(dòng)會(huì)影響In原子的擴(kuò)散和分布，從而導(dǎo)致量子阱中的應(yīng)變不均勻。通過精確控制生長溫度，保持溫度的穩(wěn)定性，可以減少In原子的團(tuán)聚，降低量子阱中的應(yīng)變，提高量子阱的質(zhì)量和發(fā)光效率。優(yōu)化工藝順序也是控制應(yīng)變的重要措施。在生長外延層之前，對襯底進(jìn)行預(yù)處理可以改善襯底表面的質(zhì)量，減少晶格失配和熱失配，從而降低應(yīng)變。通過化學(xué)機(jī)械拋光等方法對藍(lán)寶石襯底進(jìn)行預(yù)處理，去除表面的雜質(zhì)和缺陷，使襯底表面更加平整，能夠有效減少外延層生長過程中的應(yīng)變。在緩沖層生長之后，進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐嘶鹛幚砜梢葬尫啪彌_層中的應(yīng)力，改善緩沖層的晶體質(zhì)量。在低溫生長的GaN緩沖層生長完成后，進(jìn)行高溫退火處理，能夠使緩沖層中的原子重新排列，減少晶格缺陷，降低應(yīng)變。這種經(jīng)過退火處理的緩沖層能夠更好地為后續(xù)的外延層生長提供良好的模板，減少位錯(cuò)和應(yīng)變的產(chǎn)生。在有源區(qū)生長過程中，采用分步生長工藝可以有效控制應(yīng)變。在生長InGaN量子阱時(shí)，先在較低溫度下生長一定厚度的InGaN阱層，然后升高溫度進(jìn)行再結(jié)晶處理，這樣可以減少InGaN阱層中的缺陷和應(yīng)變，提高量子阱的質(zhì)量。分步生長工藝還可以通過調(diào)整生長參數(shù)，精確控制量子阱的厚度和In組分，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)變和發(fā)光波長的有效調(diào)控。在制備過程中，通過嚴(yán)格控制溫度變化和優(yōu)化工藝順序，可以實(shí)現(xiàn)對GaN基激光器外延結(jié)構(gòu)中應(yīng)變的有效控制。精確的溫度控制和合理的工藝順序能夠減少位錯(cuò)和缺陷的產(chǎn)生，改善材料的晶體質(zhì)量，優(yōu)化應(yīng)變分布，為制備高性能的GaN基激光器提供有力保障。在實(shí)際制備過程中，需要不斷探索和優(yōu)化溫度控制和工藝順序，以適應(yīng)不同的外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和器件性能需求。六、器件性能測試與分析6.1性能測試方法與設(shè)備為了全面、準(zhǔn)確地評估應(yīng)變調(diào)控下制備的GaN基激光器器件的性能，采用了一系列先進(jìn)的測試設(shè)備和科學(xué)的測試方法。光致發(fā)光譜（PL）測試是研究材料光學(xué)性質(zhì)的重要手段，用于分析材料的發(fā)光特性，如發(fā)光波長、發(fā)光強(qiáng)度、發(fā)光效率等。在本研究中，使用的光致發(fā)光譜儀主要由激發(fā)光源、樣品室、單色儀和探測器等部分組成。激發(fā)光源采用波長為325nm的He-Cd激光器，其輸出功率穩(wěn)定，能夠提供足夠的能量激發(fā)GaN基材料中的電子躍遷。樣品被放置在樣品室中，在激發(fā)光源的照射下，樣品中的電子吸收光子能量躍遷到高能級，隨后在弛豫過程中以光子的形式釋放能量，產(chǎn)生光致發(fā)光。發(fā)射的光經(jīng)過單色儀分光，將不同波長的光分離出來，再由探測器進(jìn)行檢測和記錄。探測器采用高靈敏度的光電倍增管（PMT），能夠精確測量微弱的光信號。通過光致發(fā)光譜測試，可以得到材料的發(fā)光光譜，從而分析應(yīng)變調(diào)控對材料發(fā)光特性的影響。在引入超晶格插入層后，光致發(fā)光譜顯示發(fā)光強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，發(fā)光波長也發(fā)生了一定的藍(lán)移，這表明超晶格插入層有效地改善了材料的發(fā)光性能。電致發(fā)光譜（EL）測試則是在器件工作狀態(tài)下，研究其發(fā)光特性的重要方法。電致發(fā)光譜儀主要包括直流電源、樣品夾具、光譜分析儀等部分。將制備好的GaN基激光器器件固定在樣品夾具上，通過直流電源施加正向偏壓，使器件工作。當(dāng)電流注入器件時(shí)，有源區(qū)中的電子和空穴復(fù)合，產(chǎn)生電致發(fā)光。發(fā)射的光通過光纖傳輸?shù)焦庾V分析儀中，光譜分析儀對光信號進(jìn)行分析，得到電致發(fā)光光譜。光譜分析儀采用高分辨率的光柵光譜儀，能夠精確測量發(fā)光光譜的波長、強(qiáng)度等參數(shù)。通過電致發(fā)光譜測試，可以評估器件在實(shí)際工作條件下的發(fā)光性能，如發(fā)射波長、光譜寬度、發(fā)光強(qiáng)度等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過應(yīng)變調(diào)控優(yōu)化的器件，其電致發(fā)光光譜的半高寬明顯減小，發(fā)光強(qiáng)度顯著提高，說明應(yīng)變調(diào)控有效地改善了器件的發(fā)光質(zhì)量。半導(dǎo)體參數(shù)分析儀用于測量器件的電學(xué)性能，如I-V特性、串聯(lián)電阻等。本研究使用的半導(dǎo)體參數(shù)分析儀能夠精確控制電壓和電流的輸出，并測量器件的響應(yīng)。在測量I-V特性時(shí)，將器件連接到半導(dǎo)體參數(shù)分析儀上，通過逐漸增加正向偏壓，測量相應(yīng)的電流值，得到I-V曲線。通過分析I-V曲線，可以獲取器件的閾值電流、開啟電壓等重要參數(shù)。測量串聯(lián)電阻時(shí)，采用四探針法，通過半導(dǎo)體參數(shù)分析儀施加恒定電流，測量器件兩端的電壓降，根據(jù)歐姆定律計(jì)算出串聯(lián)電阻。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)過優(yōu)化的器件，其閾值電流明顯降低，串聯(lián)電阻也有所減小，表明應(yīng)變調(diào)控和結(jié)構(gòu)優(yōu)化有效地改善了器件的電學(xué)性能，降低了器件的功耗。六、器件性能測試與分析6.1性能測試方法與設(shè)備為了全面、準(zhǔn)確地評估應(yīng)變調(diào)控下制備的GaN基激光器器件的性能，采用了一系列先進(jìn)的測試設(shè)備和科學(xué)的測試方法。光致發(fā)光譜（PL）測試是研究材料光學(xué)性質(zhì)的重要手段，用于分析材料的發(fā)光特性，如發(fā)光波長、發(fā)光強(qiáng)度、發(fā)光效率等。在本研究中，使用的光致發(fā)光譜儀主要由激發(fā)光源、樣品室、單色儀和探測器等部分組成。激發(fā)光源采用波長為325nm的He-Cd激光器，其輸出功率穩(wěn)定，能夠提供足夠的能量激發(fā)GaN基材料中的電子躍遷。樣品被放置在樣品室中，在激發(fā)光源的照射下，樣品中的電子吸收光子能量躍遷到高能級，隨后在弛豫過程中以光子的形式釋放能量，產(chǎn)生光致發(fā)光。發(fā)射的光經(jīng)過單色儀分光，將不同波長的光分離出來，再由探測器進(jìn)行檢測和記錄。探測器采用高靈敏度的光電倍增管（PMT），能夠精確測量微弱的光信號。通過光致發(fā)光譜測試，可以得到材料的發(fā)光光譜，從而分析應(yīng)變調(diào)控對材料發(fā)光特性的影響。在引入超晶格插入層后，光致發(fā)光譜顯示發(fā)光強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，發(fā)光波長也發(fā)生了一定的藍(lán)移，這表明超晶格插入層有效地改善了材料的發(fā)光性能。電致發(fā)光譜（EL）測試則是在器件工作狀態(tài)下，研究其發(fā)光特性的重要方法。電致發(fā)光譜儀主要包括直流電源、樣品夾具、光譜分析儀等部分。將制備好的GaN基激光器器件固定在樣品夾具上，通過直流電源施加正向偏壓，使器件工作