GaN半导体材料综述--功能纳米材料.docx

GaN半导体材料综述 　 　 课程名称: 纳米功能材料与器件学生姓名: ＸX 　 　 学 院: 新材料技术研究院 　学　 　 号： 　XＸXＸ 　　 班 级:　 　 XXXX 　 　 任课教师:　　 顾有松 评 　　 分: 　　 　 　 　 　－12目录1 前言 12 GaN材料的性能研究 12.1 物理性质 12.2 化学性质 22.3 电学性质 22.4 光学性质 23 GaN材料的制备 33.1 金属有机化学气相外延技术(MOCVD) 33.2 分子束外延(MBE) 33.3 氢化物气相外延(HVPE) 44 GaN材料的器件构建与性能 54.1 GaN基发光二极管(LED) 54.2 GaN基激光二极管(LD) 64.3 GaN基电子器件 74.4 GaN基紫外光探测器 75 结论 7参考文献 81 前言继硅（Sｉ）引导的第一代半导体和砷化镓(GaAｓ）引导的第二代半导体后，以碳化硅（SｉC)、氮化镓（ＧａN)、氧化锌（ZnＯ)、金刚石、氮化铝（AlＮ)为代表的第三代半导体材料闪亮登场并已逐渐发展壮大。

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,具有高临界击穿电场、高电子漂移速度、高热导、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、大功率电子器件的抱负材料随着纳米技术的发展，III族氮化物一维纳米构造在发光二极管、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年代后来，由于某些核心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秀性质的纳米尺寸材料制造纳米器件是很故意义的,GaＮ纳米构造特别是纳米线是满足这种规定的一种很有但愿的材料［1]本论文重要简介了ＧａN材料的性能研究、制备措施研究、器件构建与性能三个方面的内容，并最后进行了总结性论述，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１700℃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高等特点。

一般状况下ＧaN的晶体构造重要为六方纤锌矿构造和立方闪锌矿构造，前者为稳态构造，后者为亚稳态构造，在极端高压状况下也会体现为立方熔盐矿构造[2］目前多种器件中使用到的都是六方GaＮ，其晶体构造如图２-1所示图2-1 GaＮ方纤锌矿构造(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映,也不和酸或碱发生化学反映，但能缓慢地溶解在热的碱性溶液中由于GａN的稳定性,对其表面进行刻蚀是非常困难的目前，在工业生产中重要采用等离子体刻蚀的措施对GａＮ的表面进行解决[2]2.3 电学性质电学性能是影响光电器件性能的重要因素非故意掺杂的ＧaN一般为n型，其载流子浓度约为１０1４ cm3~１0１6 cm3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.Amano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此外，GaN材料具有较高的电子迁移率，适度掺杂的AlGaN/GaN构造电子迁移率更高，并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，AlＮ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的持续变化，其发光波长实现２０0　ｎm~656ｎm的持续变化,覆盖了整个可见光区和近紫外光区,因此，非常适合制作多种发光器件,有也许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,一方面就要制备出高质量的GaN材料GaN在高温下分解为Ga和N2,常压下无法融化，只有在２20０℃以上，6GPa以上的N2压力下才干使GaN融化，因此老式直拉法和布里奇曼法都不能用来生长GaＮ单晶[3]至今，GaN材料的获得仍然以异质外延技术生长为主，即通过在其他晶体衬底上实现近年来,又有浮现了某些较为简朴的措施,涉及磁控溅射、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重要有: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)［4]。

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),是一种运用有机金属热分解反映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常常运用的技术之一，是目前生长Ⅲ族氮化物多层构造最主流的措施,也是目前唯一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措施以三甲基镓(TMGa）为有机镓源,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，将反映物载入反映腔并在一定温度下发生反映,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外,该沉积系统不需要超高真空，反映室可以扩展且设备维护简朴,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,但是仍存在某些制约因一方面，MＯCVD设备自身价格非常昂贵,生产所使用的原料价格也非常昂贵且毒性大;另一方面,同HVＰE同样需要较高温度使氨气发生解离，这就容易引起薄膜浮现氮空位、碳污染以及内应力,从而影响薄膜的质量[5]3.2 分子束外延(MBＥ)分子束外延(MBE)是一种实验室常用的生长IＩI族氮化物的老式措施，但其发展远落后于MＯＣＶＤ技术，目前还处在发展的前期阶段。

图３－1为MBE生长的简朴示意图[6］在高真空环境中反映物以分子束或者原子束的形式直接射到衬底上，通过氮化反映,生长具有一定趋向性的GaN薄膜目前,采用MBE技术生长GaN材料重要有两种措施,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映形成GaＮ这种措施的长处是生长温度较低，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源的反映速率很慢,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),以三甲基镓为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ＧａN这种措施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[6]MBE与MOCＶＤ相比，它可以在较低温度下(５00℃-8０0℃)实现GaN的生长,因此可以选用容易产生热损伤的材料如ＧaAｓ、　γ-LiＡｌO2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 氢化物气相外延(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，III族源材料使用金属镓,V族源材料使用NH3,载气使用氮气,反映气体是HCl反映气体和金属镓反映生成GaＣl或GａＣl3,GａＣI与ＮＨ3反映生成GaN然后沉积在衬底上图3-２为HＶPE生长的简朴示意图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，同步反映后生成的尾气会腐蚀设备，因此该措施比较难以获得高质量的ＧaＮ薄膜通过许近年的研究,人们对ＨVPＥ技术进行不断的改善并获得了一定的效果[7]图3－2 HＶPE系统示意图HVPE技术的优势是设备简朴，成本低,生长速率快,可以达到几百微米每小时；运用该措施也可以较容易的实现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技术生长异质构造材料比较困难，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GaAｓ、ＩnP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，优于其她材料,应用前景更好开发ＧaN器件的重要方向是微波器件，如发光二极管、激光器和紫外探测器等[8]此外，良好的衬底绝缘性能和散热性能，有助于制作高温、大功率器件。

目前已经成功开发了GａＮ基MＥSFEＴ、HＥMT、HBT和MOＦET等器件[９]4.1 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长处,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，光显示领域规定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规定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长处，被觉得是制作LED器件的最佳材料IMS Research 预测分析，在LED电视、显示屏和一般照明领域,ＧaN(蓝/绿)ＬED的市场份额将迅速增长图4－1 ＧaN多量子阱蓝色发光二极管构造示意图图4-１为GａN多量子阱蓝色发光二极管构造示意图为了提高LED的发光效率和纯度,目前人们重要采用多量子阱构造作为发光区Ｑ.Dａｉl[1]等人采用InGaＮ/GaＮ多量子阱构造的LED，其位错密度只有5．3×１08cｍ-2，内量子效率高达６4%目前商业生产中的LED均采用多量子阱构造随着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的同步，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他的激光器有着明显的优势,其存储密度可以达到1Gｂｓ/cｍ２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脉冲和持续工作；Cｒee-Research公司最先实现了SiＣ上横向器件构造的蓝光激光器;富士通在此基本上成功研制了可在室温下持续激射的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具有热导率高、击穿电场高、载流子浓度高等优良性能，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异质构造己成功开发GaN基ＭＥＳFET、MODFＥT、HFＥＴ等场效应晶体管,在航空、石油勘探、自动化、通信等领域必将发挥着不可或缺的重要作用。

4.4 GaN基紫外光探测器与SiＣ、金刚石等。