半导体激光器的发光过程为：注入电流，即注入载流子；在有源区形成粒子数反转，导带电子不稳定，少数电子自发跃迁到价带，产生光子；一个光子被导带中的电子吸收跃迁到价带，同时释放出两个想干光子，持续这个过程，直到释放出多个相干光子，即在合适的腔内震荡放大；光子稳定工作，光能量大于总消耗时，半导体开始工作。

1.4  GaN基激光器简介：

制作蓝色光甚至更短波长的激光二极管一直是人们研究的焦点。1995年底，日亚公司的中村修一等用金属有机化学气相沉积的方法在蓝宝石衬底上外延生长GaN基激光器结构，制成了世界上第一只GaN基半导体激光器。GaN激光器结构[4]如图1.4所示。该激光器结构采用双气流MOCVD常压下生长，衬底用蓝宝石的（0001）面。其组成结构[5]为：30nm厚的低温GaN缓冲层；3μm厚的n型GaN接触层；0.1μm厚的n型In0.1Ga0.9N作为n型限制层的应力释放层；0.4μm厚的n型Al0.15Ga0.85N光限制层；0.1μm厚的n型GaN层波导层；26周期的In0.2Ga0.8N/In0.05Ga0.95N多量子阱（MQWs）有源区，其中In0.2Ga0.8N阱层厚度为2.5nm，In0.05Ga0.95N垒层的厚度为5.0nm；20nm厚的p型Al0.2Ga0.8N电子阻挡层；0.1μm厚的p型GaN层波导层；0.4μm厚的p型Al0.15Ga0.85N光限制层以及0.5μm厚的p型GaN接触层。

图1.4  GaN基蓝紫光激光管构造图

此后，日亚公司通过对激光器结构的设计的优化和采用横向过生长技术降低外延层的位错密度，以及用调制掺杂AlGaN/GaN SLS层代替厚AlGaN层等多种方法改善激光器性能。日亚公司的成功以及GaN基激光器的巨大市场潜力让越来越多的人开始研究Ⅲ族氮化物蓝紫光激光二极管，使GaN激光器越来越实用化。

图1.5（a）（b）（c）分别是GaN激光器[6]在激光光盘存储、印刷领域和激光诱导荧光检测领域的应用。

（a）                    （b）                     （c）

图1.5 （a）光盘驱动器激光头构造示意图（b）外鼓式激光印刷系统示意图

（c）激光诱导荧光检测仪

第二章  GaN基激光器材料的特性与生长工艺

    半导体激光器的制造工艺流程如2.1图所示。

图2.1半导体激光器制造工艺流程

2.1  衬底的选择

由流程图可见，衬底的选择是器件制造的第一步。衬底的选择对生长出的外延层的质量十分重要。GaN常用的衬底材料有蓝宝石（Al2O3）、SiC、AlN、Si和GaN等。

蓝宝石衬底具有和纤锌矿结构相同的六方对称性，制备工艺成熟，价格适当，易于清洗和处理，高温稳定性好，可大尺寸稳定生产。但是它本身不导电，不能制作电极，散热性差，解理困难，晶格常数与GaN相差16%，热膨胀系数与GaN材料相差较大。有研究表明，采用化学方法腐蚀C面蓝宝石衬底形成一定的图案，提供横向外延基底，使两翼在腐蚀坑处聚合生长，可大大降低位错密度，同时腐蚀坑的中空结构可以释放应力，提高外延层质量。蓝宝石是目前最常用的衬底材料。

SiC衬底本身具有蓝光发光特性，电阻率低，可以制作电极，晶格常数和材料热膨胀系数和GaN接近，容易解理，但是价格昂贵。

AlN与GaN材料都是Ⅲ-Ⅴ族化合物，晶格失配只有2%，热膨胀系数相近，但是目前获得的AlN单晶材料的尺寸太小。

Si价格便宜，容易解理，有优良的n型和p型电导性，容易获得大尺寸材料，但是Si和GaN的晶格匹配和热匹配大，引起薄膜开裂，位错密度大，表面形貌不平整。