宽带隙半导体激光器件关键科学问题研究

GaN and ZnO based materials are typical wide-band semiconductors. With direct-band gap , they are very suitable for lasers fabrication. Using band tuning technic , it is expected to achieve ultraviolet, purple, blue and green laser, which are very promising in high definition laser displaying, high density light storage, bio-medical treatment, underwater and space light communication, both for civil use and military area.Indeed, GaN based blue laser is already commercial in some countries. But considering the GaN and ZnO based materials and related lasing devices as a big whole research field, there is not much difference in the research capability of this area between our country and others. And particularly, in the area of ZnO related material and lasing device , we are at the same level with the world .In some specific regions of the ZnO related research area, we even stand one step further. Thus, we should promote research in regions ,such as innovation project of wide band gap semiconductor laser, micro-structure of localized carrier recombination center, luminenscence origin of InGaN quantum structure , P-type doping mechanism of GaN and ZnO, exciton radiative recombination mechanics under electrical injection in ZnO. These regions are very critical, in which, once got break through development , the semiconductor laser and related industries would be greatly promoted in our nation,and has scientific significance and great socio-economic benefits.

GaN、ZnO基材料是典型的宽禁带半导体，它们具有直接跃迁能带结构，是制备半导体激光器件的理想材料。通过调整其禁带宽度，可以实现紫外、紫、蓝及绿色激光器件。在高清晰激光显示，高密度光存储，生物医疗以及水下和空间光通信等民用和军事方面有着广阔的应用前景。虽然，国外已有GaN蓝光激光器出售，但是从宽带隙半导体GaN、ZnO材料系激光器研究方面整体水平来看，我国内地和国际、境外差距不大；在ZnO材料系及激光器方面我国和国际研究是同步的，有些研究结果甚至领先于国外；为此我们开展宽禁带半导体激光器的创新研制，开展载流子局域发光中心的微观结构和 InGaN 量子结构发光的本质，GaN和ZnO材料的P型掺杂机理及ZnO电注入激子发光动力学等一些关键科学问题研究，如取得突破，将大大促进我国宽带半导体激光器件的发展，对相关产业的发展也有重要推动作用, 具有重要的科学意义和重大的经济和社会效益。

近几年热点研究和迅速发展的GaN 基和ZnO 基宽禁带半导体激光器拓展了现有光电子器件的光谱范围，是信息产业的战略核心器件。.我们按照申请书规定的研究内容进行了以下四个方面的研究：.1) InGaN系量子结构的基本物理性质和发光机制研究。 .研究了InGaN/GaN多量子阱的非辐射复合中心抑制及局域态效应及绿光多量子阱中droop 效应的抑制与调控；还研究了InN/6H-SiC异质结的能带结构。.2) 量子阱和异质结构中应力和极化效应及其调控研究。 .为了研究如何降低极化电场的影响，提高量子阱发光效率，对氮极性GaN可控生长进行了系列研究，研究了极化效应对发光器件发光特性的影响。.3) 高质量氮化物、氧化物晶体薄膜材料生长物理及p型掺杂机制研究。 .对GaN系和InGaN/GaN量子阱材料的高质量生长进行了系列研究。对GaN薄膜的p型掺杂进行了系列优化。.对ZnO系材料的高质量生长进行了系列研究，研究了光辅助MOCVD技术生长高质量ZnO纳米结构和多维度O极性ZnO材料；对NiO的p型掺杂进行了研究。.4) ZnO基光电器件电注入下激子高效产生和复合机制研究以及GaN基激光器件研究。.我们对GaN基激光器的结构进行了改进设计与制备，对有源区的电子泄漏进行了抑制，研制了GaN基蓝紫、紫外光激光器。对ZnO-GaN组合激光器进行许多研究，研制了基于ZnO纳米墙网络结构的Au/MgO/ZnO/GaN准回音壁模式激光器。. 重要结果：对InGaN材料系的基本物理性质和发光机制，GaN和ZnO 材料系的极化效应和调控有了进一步了解，在蓝宝石衬底和SiC衬底上外延生长出高质量氮极性GaN薄膜；制备了几种不同级性的ZnO/GaN组合发光器件，并对其发光特性进行了对比研究，受到国际同行的较高评价。通过外延方法的改进在蓝宝石和SiC衬底上生长出高质量GaN外延层；制备出空穴浓度高达E+19/cm3的p型NiO薄膜材料。改进了GaN基激光器的结构，研制出波长410 nm，脉冲峰值光功率输出最大达20.6 W的GaN基激光器和激射波长为393 nm，连续激射达80 mW紫外激光器。研制出准回音壁模式激光器纳米墙网络结构Au/MgO/ZnO/GaN激光器，可持续到高温430 K激射。许多成果处于国际先进水平，对推动我国宽带半导体器件的发展有重要作用，具有重要的科学意义和社会效益。