对蓝宝石-氮化镓异质膜系统的界面应力进行有限元模拟分析,研究了从生长温度(1373 K)降到室温(300 K)的过程中系统界面应力的分布情况及其影响因素,并通过理论计算验证了所建模型的合理性。模拟结果显示:系统界面应力沿径向分布均匀,只有在边缘处界面应力急剧增大。当不考虑边缘效应,分别改变氮化镓膜或蓝宝石衬底厚度,保持另一厚度不变时,薄膜系统界面应力极大值出现在蓝宝石衬底与氮化镓膜厚度之比ds/df≈1.5处,极小值出现在ds/df≈4.3处,说明薄膜系统界面应力大小不仅仅取决于热膨胀系数的差异或温差,受膜厚比的影响也很大。模拟还发现,由于晶格失配产生的应力远远大于因热失配产生的应力。

GaN薄膜材料广泛应用于发光二极管(LED), 激光二极管(LD)等光电器件。 但是GaN基器件的制备与应用以及器件推广很大一部分取决于其器件的价格, 常用的方式是在单晶蓝宝石衬底上沉积制备GaN薄膜样品, 单晶蓝宝石衬底晶向择优, 可以制备出高质量的GaN薄膜样品, 但是单晶蓝宝石衬底价格昂贵, 一定程度上限制了其GaN基器件推广使用。 如何在廉价衬底上直接沉积高质量的GaN薄膜, 满足器件的要求成为研究热点。 石英玻璃价格廉价, 但是属于非晶体, 没有择优晶向取向, 很难制备出高质量薄膜样品。 本研究采用等离子体增强金属有机物化学气相沉积系统在非晶普通石英衬底上改变氮气反应源流量低温制备GaN薄膜材料。 制备之后采用反射高能电子衍射谱、 X射线衍射光谱、 室温透射光谱和光致光谱对制备的薄膜进行系统的测试分析。 其结果表明: 在氮气流量适当的沉积参数条件下, 所制备的薄膜具有高C轴的择优取向, 良好的结晶质量以及优异的光学性能。

采用Z扫描和泵浦-探测技术研究了GaN薄膜在370 nm时的非线性光学效应和非线性光动力学过程。 首先, 基于GaN薄膜的透射光谱, 结合线性光学理论分析得到了其在370 nm的线性折射率n0、 线性吸收系数α0、 光学带隙Eg等线性光学性质。 采用飞秒激光Z扫描技术, 得到了不同光强激发下的Z扫描实验响应结果, 结合非线性光学理论提取出GaN薄膜可变的光学非线性吸收效应。 在激发光子能量接近GaN带隙情况下, 低光强时材料表现为饱和吸收而高光强时为反饱和吸收, 这是因为低光强下单光子吸收占主导而高光强下以单光子感应自由载流子吸收为主。 闭孔Z扫描测量得到了GaN薄膜的三阶非线性折射系数为n2=－(1.0±0.1)×10-3 cm2·GW-1, 它几乎比传统非线性介质的高出一个数量级。 为了探究上述非线性过程的动力学弛豫时间以及进一步探究GaN薄膜非线性光动力学过程的深层物理机制, 采用了交叉偏振飞秒退相泵浦探测技术观察GaN薄膜的光激发载流子动力学弛豫过程。 实验结果表明, 在低光强下, 饱和吸收效应来源于瞬态单光子吸收, 高光强下单光子感应自由载流子吸收为非瞬态光动力学过程, 其自由载流子弛豫时间约为17 ps。 该工作将为GaN薄膜在紫外非线性纳米器件应用以及GaN薄膜非线性过程的机制分析理解提供新的思路。

利用有限元分析软件ANSYS对蓝宝石基GaN薄膜的应力进行了模拟分析，并通过理论计算验证了其合理性。模拟出了蓝宝石基GaN薄膜应力的分布情况。分析了应力与沉积温度、薄膜厚度、衬底厚度的关系，同时研究了不均匀温度分布对应力的影响。模拟结果显示：薄膜上表面在径向上，中心处热应力最大，薄膜边缘应力发生了突降，其他部分应力分布比较均匀。研究表明沉积温度升高、薄膜厚度减小以及衬底厚度增大都会使热应力变大。衬底径向温度不均匀时，热应力有增大的趋势，且温差越大，热应力就越大。

用四种不同光源作为激发光源，研究了蓝宝石衬底金属有机物汽相外延方法生长的氮化镓薄膜的光致发光特性。结果发现用连续光作为激发光源时，光致发光谱中除出现365 nm的带边发射峰外，同时观察到中心波长位于约550 nm 的较宽黄带发光；而用脉冲光作为激发光源时其发光光谱主要是365 nm附近的带边发光峰，未观察到黄带发光。氮化镓薄膜的光致发光特性依赖于所用的激发光源性质。

通过研究蓝宝石衬底分子束外延(MBE)生长GaN薄膜过程中原位椭偏光谱,发现常规蓝宝石衬底MBE生长GaN薄膜的位错缺陷主要起源于缓冲层升温过程中应变能的释放程度。采用蓝宝石邻晶面衬底可有效地抑制GaN外延层中螺旋位错缺陷的产生。结果表明,利用蓝宝石邻晶面衬底MBE生长GaN薄膜是抑制螺旋位错、改善薄膜质量的有效途径。

g-LiAlO2与GaN的晶格失配很小,易于分离,在其(100)面上能生长出无极性的GaN,是一种很有希望的GaN衬底材料。结合g-LiAlO2的基本性质,详细介绍了g- LiAlO2衬底上用各种方法生长GaN的研究进展。