氮化镓基激光器的关键科学与技术问题研究

氮化镓基激光器在光存储、光显示和军事等领域具有广阔应用前景。本课题将研究制备高性能氮化镓激光器的关键科学和技术问题。设计新型激光器结构，提高激光器的性能；研究侧向外延生长机理，实现无晶面倾斜和快速合并生长；研究基于氮化镓衬底的氮化镓基材料生长技术，实现高质量激光器结构的生长；研究量子阱生长过程中缺陷的拟制方法，实现高效率的发光；研究P型AlGaN中的补偿机制，探索新的掺杂技术，提高Mg掺杂的电离率，实现高空穴浓度的P型GaN和P型AlGaN的生长技术突破；研究欧姆接触的机理，制备性能优良的欧姆接触电极；研究激光器腔面解理和腔面镀膜的技术，蒸镀更加可靠的腔面膜系；研究倒装焊工艺技术和激光器封装的热阻特性，实现激光器的低热阻的封装；研究激光器的失效机制，延长激光器的寿命。最终研制成功寿命大于5000小时，输出功率大于50mW的405nm激光器，并研制成功具有一定寿命的450nm蓝光激光器。

本课题技术研究团队经过近四年的创新研究，在激光器的结构设计、激光器材料的外延生长、激光器的器件工艺和激光器的测试分析等方面解决了一系列关键的科学与技术问题，研制成功了氮化镓基紫光激光器和蓝光激光器，完成了课题的研究内容，达到了预定的研究目标。取得如下主要成果：.1.优化设计氮化镓基激光器p型AlGaN限制层、Al组分和厚度、波导层掺杂状况等参数对激光器限制因子和吸收损耗的影响，发现激光器的波导不掺杂可以减小激光器的损耗，降低激光器的阈值，在蓝光激光器机构中，采用InGaN波导结构可以增加激光器的限制因子，在不增加光限制层P型AlGaN的Al组分的情况下，可以满足激光器光场限制的要求。.2.发现氧杂质在P型GaN和AlGaN材料中起补偿作用，影响P型GaN和AlGaN的掺杂效率，提出通过提高AlGaN的生长温度，增加预反应，减小氧等杂质的掺入，同时在生长过程中适当掺In原子等提高了Mg原子的掺杂效率等技术方法，实现了P型GaN和AlGaN材料的高效掺杂；提出采用复合结构的垒层结构以及降低量子阱的生长速率和适当垒层掺Si的技术方法，获得了高效率的激光器量子阱有源区。.3.发现Au的扩散是影响P-GaN欧姆接触电极特性的主要因素，采用Pd/Ni/Au材料，有效地阻挡了Au的扩散，P-GaN欧姆接触电极的比接触电阻率达到5×10-6Ωcm2。发现GaN N极性面刻蚀气体及刻蚀条件是影响n型GaN欧姆接触特性的关键因素，采用Ti/Pt/Au获得了热稳定性良好的欧姆接触电极。.4.提出采用激光器腔面解理导向槽技术和激光器巴条镀膜陪条的沟槽结构设计技术，有效解决了激光器腔面解理和激光器镀膜过程中的“阴影”问题。.5.研制成功室温连续工作的紫光激光器，阈值电压小于5伏，阈值电流密度2.5-3.5KA/cm2,激光器输出功率大于50 毫瓦，经过老化实验外推寿命可大于5000 小时。研制成功了室温连续工作的工作氮化镓基蓝光激光器，波长450nm左右，激光器在输出10mw功率时，激光器的寿命大约为100小时。.项目研究期间，发表论文51篇，其中SCI收录50篇，申请国家发明专利15项，培养研究生11名，其中毕业博士生7名,在读博士3名，在读硕士1名。