氮化镓(GaN)基近紫外激光器(UVA LD，320~400nm)在紫外固化、3D打印以及医疗等领域具有广泛应用。文章首先概述了GaN基UVA LD的国内外研究现状与关键技术挑战，然后分析了如何从外延生长与结构设计的角度，解决AlGaN的应力调控、高效p型掺杂与量子阱中极化电场的抑制等关键问题，以期为进一步实现高功率、低阈值、长寿命GaN基UVA LD的外延生长提供参考。

摘要: 本文设计了一种具有低 Al组分 p型渐变 AlxGa1-xN层和高 /低 Al组分 AlGaN倍增层的背入射式 p-i-n-i-n吸收倍增区分离的特殊 AlGaN日盲紫外雪崩光电二极管( Avalanche Photodiode, APD), 并插入 AlN/Al0. 64Ga0. 36N分布式布拉格反射器来改善 APD的日盲响应。为了在实验条件下生长出特殊设计的 AlGaN APD, 用 Atlas-Silvaco仿真软件对该器件结构进行仿真, 并用常规结构 APD作为参照。研究结果表明, 特殊设计的 APD比常规的 APD表现出更好的光电特性。由于设计的 APD拥有更高的空穴碰撞电离系数并同时产生了与外加电场同方向的高极化电场, 所以相比于常规的 APD, 本文设计的 APD的雪崩倍增增益为 6. 11×104, 提高了 10倍, 同时雪崩击穿电压显著降低。设计的 APD的光电特性良好, 为生长 AlGaN基 APD提供了坚实的理论基础。

为了减弱InGaN/GaN量子阱内的压电极化场, 在蓝紫光InGaN/GaN多量子阱激光器结构中采用了预应变InGaN插入层, 通过变温电致发光和高分辨X射线衍射测量研究了预应变插入层对量子阱晶体质量和发光特性的影响。实验结果显示, 常温下有预应变层的量子阱电致发光谱积分强度显著提高。模拟计算进一步表明, 预应变层对量子阱内压电极化场有调制效果, 有利于量子阱中的应力弛豫, 可以有效减弱量子限制斯塔克效应, 有助于提高量子阱的发光效率。

势垒硅掺杂对InGaN量子阱中的电场及LED器件的光电性能有着重要的影响。采用6×6 K·P方法计算了不同势垒硅掺杂浓度对量子阱中电场的变化, 研究表明当势垒硅掺杂浓度＞1e18 cm-3时, 阱垒界面处的电场强度会变大, 这主要是由于硅掺杂浓度过高导致量子阱中界面电荷的聚集。进一步发现随着势垒掺杂浓度的升高, 总非辐射复合随之增加, 其中俄歇复合增加, 而肖克莱-霍尔-里德复合随之减少, 这是由于点陷阱的增大形成了缺陷能级。电流电压曲线表明势垒掺杂可有效改善GaN基LED的工作电压, 这归于掺杂浓度的提高改善了载流子的传输特性。当掺杂浓度为1e18 cm-3时, 获得了较高的内量子效率, 这主要是由于适当的势垒掺杂降低了量子阱中界面电荷的损耗。

系统地研究了小注入电流（＜4 mA）下InGaN/GaN多量子阱结构蓝光发光二极管的发光光谱特性在老化过程中的变化。 对比老化前后的电致发光（EL）光谱， 发现在注入电流1 mA下的峰值波长（peak wavelength）和半高宽（FWHM）随老化时间增加而减小， 变化过程分两个阶段： 前期（＜100 h）减小速度较快， 而后逐渐变缓， 呈现出与LEDs的发光光功率一致的变化规律， 说明LEDs的等效极化电场在老化过程中减弱， 这一变化和量子阱内缺陷的增加有明确的关系。 通过电学特性测量发现同一结电压（Vj=1.8 V）下的结电容Cj和由交流小信号I—V方法计算得到的注入电流1 mA下的结电压Vj随老化时间增加而增大， 明确了在同等小注入电流下量子阱内的载流子浓度随老化过程增加。 分析表明在老化过程中InGaN/GaN 多量子阱结构蓝光发光二极管量子阱内的缺陷及其束缚的载流子数量增加， 形成了增强的极化电场屏蔽效应， 减弱的等效极化电场导致了量子阱的能带倾斜变小， 带边辐射复合能量增大， 能态密度增多， 对应的发光过程的峰值波长变短（蓝移）， 半高宽变窄。

通过MOVPE方法生长了不同Al组分的3块AlxGa1-xN样品, 利用稳态光谱和时间分辨光谱对其样品的光学特性进行了分析。鉴于影响氮化物发光性质的极化电场或局域态的单一机制不能充分解释我们的实验现象, 提出了局域态-内部极化电场竞争的机制。通过对实验数据的分析, 得出如下重要结论: 样品PL峰位蓝移的温度起点基本对应于局域态和极化电场起作用的交替点, PL峰位发生蓝移的温度起点与光强-温度曲线的斜率出现明显变化的温度点一致; 随着温度的升高, 若AlGaN合金样品中PL峰位存在二次蓝移, 则说明样品中电场分布不均匀。