GaN半导体材料综述功能纳米材料.docx

课稈名纳米功能材料与器件 L I _ 学生姓XX院：新材料技术研究院XXXX号:级XXXX任课老11耳分顾有松2015-12目录1前言 2 GaN材料的性能研究 21物理性质 2.2― 性质 2.3 电学性质 2.4 光学性质 3 GaN材料的制备 31金属有机化学气相外延技术（MOCVD） 3.2 分子束外延（MBE） 3.3 氢化物气相外延（ HVPE） 4 GaN材料的器件构建与性能 4.1 GuN其好井一炯筈（I匚m4.2 GaN基激光二极管（LD）.4.3 GaN基电子器件 4.4 GaN基紫外光探测器…5纟吉论参考文献继硅（SD引导的第一代半导体和碑化稼（GaAs）引导的第二代半导体后，以碳化硅（Sio、 氮化傢（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AIN）为代表的第三代半导体材料闪亮 登场并已逐步发展壮大作为第三代半导体的典型代表，GaN材料是一种直接带隙以及宽带隙半导体材料室温 下其禁带宽度为3.4eV,具有咼临界击穿电场、咼电子漂移速度、咼热导、耐高温、抗腐蚀、 抗辐射等优良特性，是制作短波长发光器件、光电探测器以及高 温、高频、大功 率电子器件 的理想材料。

随着纳米技术的发展， III 族氮化物一维纳米结构在发光二极管、场效应晶体管以及太阳能电池领域都具有极大的潜在应用进入 20 世 纪 90 年代以后，由于一些关键技术获得突破以及材料生长和器件工艺水 平的不断 提高，使 GaN 材料研究空前活跃， GaN 基器件发展十分迅速基于具有优异 性质的纳米 尺寸材料制 造纳米器件是很有意义的， GaN 纳米结构特别是纳米线是满足这种要求的一种很有希望的材料⑴本论文主要介绍了 GaN 材料的性能研究、制备方法研究、器件构建与性能三个 方 面的 内容，并最后进行了总结性阐述，全面概括了 GaN 材料的基本内容2 GaN 材料的性能研究2.1 物理性质GaN 是一种宽带隙半导体材料，在室温下其禁带宽度约为 3.4 eV； Ga 和 N 原子 之间 很强的化学键，使其具有高达 1700C 的熔点；电子漂移饱和速度高，且掺杂浓度对 其影响不 大；抗辐射、介电常数小、热产生率低和击穿电场咼等特点通常情况下 GaN 的晶体结构主 要为六方纤锌矿结构和立方闪锌矿结构，前者为稳态结构，后者为亚稳态结 构，在极端高压 情况下也会表现为立方熔盐矿结构⑵目前各种器件中使用到的都是六方GaN,其晶体结构 如图 2-1 所示。

图2-1 GaN方纤锌矿结构（a）黑色为Ga原子，灰色为N原子；（b） Ga和N原子的成键形式2.2 化学性质GaN 的化学性质非常稳定，在室温下它既不与水发生反应，也不和酸或碱发生化学 反应，但能缓慢地溶解在热的碱性溶液中由于GaN 的稳定性，对其表面进行GaN的表刻蚀是非常困难的目前，在工业生产中主要采用等离子体刻蚀的方法对 面进行处理⑵2.3电学性质电学性能是影响光电器件性能的主要因素非故意掺杂的GaN —般为n型，其载流子浓度约为10i4cm3-10i6cm3o如此高的本征载流子浓度曾一度限制了 GaN的P型掺杂，给GaN器件的应用带来了困难到1989年H. Ama no等人用电子束照射 的方 式获得了 Mg掺杂的P型GaN,才使得GaN器件的应用有了很大的发展另外，GaN材料具有较高的电子 迁移率，适度掺杂的AIGaN/Ga N结构电子迁移率更高，而且还具有高的电子漂移速度和较 低的介电常数，是制作高频微波器件的重要材料 2.4光学性 质GaN为直接宽带隙半导体材料，在室温下其发光波长为365 nm,位于蓝光波段InN的 禁带宽度为0.77 eV, GaN的禁带宽度为3.43 eV, AIN的禁带宽度为6.2 eV,通过在GaN中掺 入不同组分的In和Al, GaN基材料的禁带宽度可以实现从0.77eV到6.2 eV的连续变化，其 发光波长实现200 nm 656nm的连续变化，覆盖了整个可见光区和近紫外光区，所以，非 常适合制作各种发光器件，有可能成为太阳能光伏产业的重要材料。

3 GaN 材料的制备要研发与制备高质量、高性能的InGaN/GaN器件，首先就要制备出高质量的GaN材 料GaN在高温下分解为Ga和常压下无法融化，只有在2200T以上，6GPa以上的N2压力 下才能使GaN融化，所以传统直拉法和布里奇曼法都不能用来生长GaN单晶至今，GaN材 料的获得仍然以异质外延技术生长为主，即通过在其它晶体衬底上实现近年来，又有出现 了一些较为简单的方法，包括磁控溅射、溶胶一凝胶、脉冲激光沉积和电泳沉积等在GaN 材料的外延生长方面，应用最广泛的外延生长技术主要有：金属有机化学气相外延技术 （MOCVD）分子束外延（MBE）氢 化物气相外延（HVPE甲下 面对这三种生长技术作 简要概述3.1金属有机化学气相外延技术（ MOCVD）金属有机化学气相外延又称为金属有机气相外延（ MOVPE） 是—种利用有机金属热分解反应进行气相外延生长薄膜的化学气相沉积技术，是在薄膜生长的众多技术中最经常运用的技术之—，是目前生长川族氮化物多层结构最主流的方法，也是目前唯—能制备出高亮度 氮化物发光二极管并用于规模化商业生产的生长技术该方法以三甲基傢（TMGa）为有机傢源，氨气为氮源并以H2和N2或者这种两种气 体的混合气体为载体，将反应物载入反应腔并在一定温度下发生反应，生成相应薄膜材料的 分子团，在衬底表面上吸附、成核、生长，最后形成所需的外延层。

此夕卜，该沉积系统不 需要超高真空，反应室可以扩展且设备维护简单，己被广泛应用于大面积、多片GaN外延片 的工业生产中MOCVD法外延GaN的技术已经被广泛应用并部分实现产业化，但是仍存在一些制约 因首先，MOCVD设备本身价格非常昂贵，生产所使用的原料价格也非常昂贵且毒性大； 其次，同HVPE-样需要较高温度使氨气发生解离，这就容易引起薄膜出现氮空位、碳污染以 及内应力，从而影响薄膜的质量⑸3.2 分子束外延 （MBE）分子束外延（MBE）是一种实验室常用的生长III族氮化物的传统方法，但其发展远落后于MOCVD技术，目前还处于发展的前期阶段图3 1为MBE生长的简单示意图⑹在高真空环境中反应物以分子束或者原子束的形式直接射到衬底上，经过氮化反应，生长具有 —定趋向性的GaN薄膜目前，采用MBE技术生长GaN材料主要有两种方法，其一为气 源分子束外延（GSMBE）以单质金属Ga为Ga源，NH3为N源，在衬底表面发生化学反应 形成GaNo这种方法的优点是生长温度较低，但较低的温度同样也会带来不利的影响，NH3 的分解率很低导致与Ga源的反应速率很慢，产物内部分子移动性较差，晶体薄膜的质量不 好。

其二是金属有机分子束外延（MOMBE）,以三甲基傢为Ga源以等离子体或离子源产生 的N束流为N源，在衬底上形成GaNo这种方法解决了在低温条件下NH3的分解率低的问 题，获得的GaN薄膜的晶体质量较好图 3-1 MBE 系统示意图回MBE与MOCVD相比，它可以在较低温度下（500G800C）实现GaN的生长，因 此可以选用容易产生热损伤的材料如GaAs Y LiAQ等作为衬底材料，但由于其生长速率低 并 且需要极高的真空度，因此不适合应用于工业生产3.3 氢化物气 （HVPE）最早被用来进行GaN外延生长的技术是氢化物气相外延（HVPE技术在氢化物气相 外延技术中，111族源材料使用金属傢，V族源材料使用NH3,载气使用氮气，反应气体是 HCI反应气体和金属傢反应生成GaCI或GaCI3 GaCI与NH3反应生成GaN然后沉 积在衬 底上图为 HVPE 生长的简单示意图 HVPE 技术的特点是外 延生长速度非 常快，薄膜的厚 度非常难以精确控制，同时反应后生成的尾气会腐蚀设备，所以该方法比 较难以获得高质量 的 GaN 薄膜经过许多年的研究，人们对 HVPE 技术进行不断的改进 并取得了一定的效果 ⑺。

图 3-2 HVPE 系统示意图HVPE 技术的优势是设备简单，成本低，生长速率快，可以达到几百微米每小时； 利用 该方法也能够较容易的实现P型掺杂和n型掺杂；HVPE技术还可以用来生长高质量GaN基 激光器材料的同质衬底但 HVPE 技术生长异质结构材料比较困难，因此发展 比较缓慢4 GaN材料的器件构建与性能GaN 材料既具有 GaAsInP 等材料的高频率特性，又具有 SiC 的高击穿电压特性，在 兼 顾器件的频率和功率方面，优于其他材料，应用前景更好开发 GaN 器件的主要方向是微波器件，如发光二极管、激光器和紫外探测器等[8] o 另外，良好的衬底绝缘 性能和 散热性能，有利于制作高温、大功率器件目前已经成功开发了 GaN 基MESFET HEMT HBT 和 MOFET 等器件⑶4.1 GaN基发光二极管（LED）由于 LED 显色性好、体积小、寿命长、响应速度快和高效节能等优点，己广泛 应用 在 光显示、交通信号灯、照明等领域，被称为新一代 绿色光源"随着 LED 应用的越来越广泛，光显示领域要求其有更好的显色性能，照明领域需要其具有更高的转换 效 率，极端恶劣环境中的应用要求其具有较好的稳定性等。

GaN 作为直接跃迁型半导体材料，具有禁带宽度大、电子饱和速率高、击穿电场高、热导率高以及物理化 学 性质稳定等优点，被认为是制作 LED 器件的最佳材料 IMS Research 预测 分析，在 LED 电 视、显示屏和普通照明领域，GaN （蓝/绿）LED的市场份额将快速增长图 4-1 GaN 多量子阱蓝色发光二极管结构示意图图为 GaN 多量子阱蓝色发光二极管结构示意图为了提高 LED 的发光效率和 纯度，目 前人们主要采用多量子阱结构作为发光区 2009 年 Q.DaiN 等人采用InGaN/GaN多量子阱结构的LED其位错密度只有5.3x 108cm-2，内量子效率高达64% 目前商业生产中的 LED 均采用多量子阱结构随着 LED 技术的不断发展和各国政策的大 力 支持，LED将会有巨大的市场前景4.2 GaN基激光二极管(LD)在研究更高效 GaN 基蓝、绿光 LED 的同时，蓝光 LD 器件的开发也成为研究的重 点， 在信息的高密度光存储领域的应用较其它的激光器有着明显的优势，其存储密度能够 达到 1Gbs/cm2o 日本 Nichia 公司在 1996 年先后实现了在室温条件下电注 入 GaN 基 LD脉冲和连续工作；Cree-Research公司最先实现了 SiC 士横向器件结构的蓝光激光器；富士 通在此基础上成功研制了可在室温下连续激射的InGaN蓝光LD,为GaN基蓝光LD的大规模 应用提供了有力的技术支持。

GaN 基蓝光 LD 的开发，使激光点径缩小 40%左右，提高存储容量至少 4 倍以上由于蓝光 LD 的市场潜力极大，许多 大 公司和研究机构都纷纷加入到开发 GaN 蓝光 LD 的行列中此外，蓝光 LD 在 水下光 通信、 探测器、激光打印、材料加工和环境污染监控等领域同样具有广阔的应用前景4.3 GaN 基电子器件GaN 具有热导率咼、击穿电场咼、载流子浓度咼等优良性能，可以被用来制作 微波 高 频器件及大功率高温电子器件同 GaAs 器件相比， GaN 的功率密度是其 10 倍目 前，随 着 MBE、MOCVD 等外延技术的发展，通过生长多种 GaN 异质结构己成功开发 GaN 基 MESFETMODFETHFET 等场效应晶体。