gan材料p型掺杂.docx

为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划gan材料p型掺杂　　GaN材料的外延　　XX-5-1109:29:14　　本文列举氮化物在外延方面所改良的方式，使大家都能知道氮化物的发展进步过程并启发大家发展外延技术的思路P1];p5氮化物外延所遇到的困难及改良　　1、改善GaN与蓝宝石之间晶格不匹配的问题：在蓝光发光材料研究初期，大部分的研究人员都看好ZnSe系材料，因为虽然与GaN相同，它们都有组成元素的高蒸气压(以GaN为例，其生长要在一万至两万大气压,温度在1500-1600℃左右)、不易形成p型半导体的缺点，但是GaN更面临到没有晶格常数匹配的合适衬底但是当时日本的赤崎教授并没有放弃，并在1985年时使用MOCVD法以较低温在蓝宝石衬底上先长出一成AlN缓冲层，再生长GaN外延层，结果不但解决了直接将GaN生长在蓝宝石上所产生的外延面不平坦及龟裂问题，也为GaN材料带来了一线曙光　　2、GaN的p型参杂：1989年，赤崎博士和它的学生正以电子显微镜观察掺Mg的GaN外延片时，晶片上的光点因受到电子的冲击而越亮事后再去测量电阻时竟发现电阻由刚生长时的108Ωcm降到35Ωcm左右而得到p型的GaN外延膜，但当时对于p型参杂的原因仍并不清楚。

　　3、MOCVD装置的再改良：双流式MOCVD及现场监测(insitu)外延法的建立日本的中村博士在1990年9月时完成了双流式(TwoFlow)MOCVD装置，并应用此系统直接在蓝宝石上长出GaN外延层，可得到当时最好质量且均匀的外延材料(其空穴迁移率为200cm2/V·S，比当时的50cm2/V·S高出许多)但仍不够理想同一年，中村博士使用红外线温度计观察GaN外延的生长温度时发现温度在做周期性摆动，经过讨论后发现在有AlN缓冲层时生长的外延层中摆动的情形比没有AlN缓冲层还明显，这是因为外延膜面较为平坦之因利用这个原理，便发展出实时观测(insitu)外延法的技术，对于GaN之后外延质量的控制有很大的贡献　　4、使用GaN缓冲层取代AlN：1991年，中村博士也许因考虑到专利问题，除了重复赤崎教授的AlN缓冲层实验外，也另外使用GaN缓冲层去长外延在生长GaN外延层之前，先在蓝宝石上以低温450℃-600℃长一层非晶GaN层结果发现在其上所长出的GaN外延层在室温的空穴迁移率高达600cm2/V·S以上，比使用AlN缓冲层的350~430cm2/V·S高出许多但是到目前仍不知其原因。

　　5、GaN的p型参杂突破：1991年，正当中村博士以电子束照射掺Mg的GaN时，意外发现晶面温度上升的很高，因此他怀疑p型化是否与温度有关为了证明想法，他在真空或氮气中，利用400℃以上的热退火(ThermalAnnealing)法处理刚长好的掺Mg的GaN，结果发现可得到低阻p型GaN(使电阻由106Ωcm下降到2Ωcm)使用这种热退火技术，可使整个外延层p型化非常均匀，而不像电子束照射法的晶面下1μm的p型化，而且也使p型化的制程更加简化　　6、p型化的原理：由于使用MOCVD生长GaN外延膜时，与生长无p型化问题的GaAs外延膜的程序差异，除了温度较高外，还有就是使用了氨气因此可以推断GaN的p型化问题与氨气有关因此将经过电子束照射p型化的掺Mg的GaN外延片置于氨气与氮气中进行热退火，结果发现在氨气中超过400℃中进行热退火的晶片恢复成原来的高阻材料，但是在氮气中的晶片则没有多大的改变经过近一步的分析得知，氨气在大于400℃时会分解出氢原子而与GaN中的Mg结合成Mg-H(Complex)，使Mg失去受主(Acceptor)特性而起不了p型化的特性但是在氮气的环境中，温度大于400℃时会使Mg-H中之H脱离，使Mg活化，产生低阻的p型GaN。

这才解决了困惑十多年的问题　　此之后，GaN技术飞速发展，同质结构、异质结构、以及InGaN的外延技术也纷纷出现二．　　InGaN蓝色激光现状：　　1、多量子阱(MWQ)与AlGaN的Cladding层的应用：日本的赤崎教授在测量/GaN多量子阱的激光光谱时发现，当量子阱的厚度低于3nm时，所产生的强度最高，光电局限性(Confinement)因用了AlGaN的Cladding层而增加一倍左右　　2、AlGaN/GaN超晶格的Cladding层的运用：以前的激光用单层的AlGaN做的Cladding层，但是当超过某一特定的厚度(CriticalThickness)时，则会因为晶格不匹配而产生的应力发生裂痕等人发现如果直接在GaN上面及下面长一层AlGaN，做成AlGaN/GaN/AlGaN结构时，表面会有许多裂痕但如果做成GaN/AlN多层超晶格(Superlattice)时则表面平坦无裂痕日亚公司激光的Cladding层是用125层(25埃)/GaN(25埃)的结构其p型Cladding层是用Mg掺杂，n型Cladding层则是用Si掺杂，而GaN则无掺杂这种掺杂法叫做调节掺杂(ModulationDoping)，可以减少电流经过时的电阻，也就是减少操作时的电压。

　　3、调节掺杂(ModulationDoping)：调节掺杂首先被用来做高迁移率的材料如果　　SLS(Strained-LayerSuper-lattice)中的AlGaN与GaN均用同一杂质掺杂，则激光操作时的电压为6-7V，但若只掺杂AlGaN而不掺杂GaN时则操作电压降为4-5V因为双异质结构中有不同的能带宽度(EnergyBandgap)电子的传导要靠热能放射(ThermalEmission)或隧道效应(Tunneling)所以会产生较高的电阻，也就会提高操作电压而使用拋物线渐变层(ParabolicallyGradedInterface)并用MD则得到平坦的导电带　　4、横向再生长(LateralOvergrowth)：使用横向再生长在有条纹(Stripe)的衬底上可减少穿透位错(ThreadingDislocation)使用这种衬底，先在(0001)蓝宝石衬底上用MOCVD法长厚的GaN，再在其上成长约μm厚的SiO2，然后用刻蚀法在GaN方向形成宽约μm，间距约7μm之条纹，然后在其上成长10μm以上厚度之GaN，形成平坦的面等人指出用此法在SiC衬底上成长时，横方向的成长可逐渐减少穿透位错。

一方面SiO2下面的穿透位错被SiO2挡住，而横方面可成长成低缺陷的材料另一方面，在SiO2之间的穿透位错则会在SiO2上方被弯曲(Bend)，平行于结晶表面以致减少穿透位错透过以上的各种改良后的长晶技术，使得InGaN激光能在室温中达到连续操作一万小时　　GaN材料的特性与应用　　来自晶玑LED　　照明论坛　　1前言　　GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点，是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，并与SiC、金刚石等半导体材料一起，被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好等性质和强的抗辐照能力，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景.　　表1钎锌矿GaN和闪锌矿GaN的特性　　2GaN材料的特性　　GaN是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为1700℃，GaN具有高的电离度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的在大气压力下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构它在一个无胞中有4个原子，原子体积大约为GaAs的一半因为其硬度高，又是一种良好的涂层保护材料。

　　的化学特性　　在室温下，GaN不溶于水、酸和碱，而在热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶解NaOH、H2SO4和H3PO4能较快地腐蚀质量差的GaN，可用于这些质量不高的GaN晶体的缺陷检测GaN在HCL或H2气下，在高温下呈现不稳定特性，而在N2气下最为稳定　　的结构特性　　表1列出了纤锌矿GaN和闪锌矿GaN的特性比较　　的电学特性　　GaN的电学特性是影响器件的主要因素未有意掺杂的GaN在各种情况下都呈n型,最好的样品的电子浓度约为4×1016/cm3一般情况下所制备的P型样品，都是高补偿的很多研究小组都从事过这方面的研究工作，其中中村报道了GaN最高迁移率数据在室温和液氮温度下分别为μn=600cm2/v·s和μn=1500cm2/v·s，相应的载流子浓度为　　n=4×1016/cm3和n=8×1015/cm3近年报道的MOCVD沉积GaN层的电子浓度数值为4×1016/cm3、冲层时Sapphire／GaN的自由能小，GaN岛状结晶横向生长速度快，加快了岛状结晶相互结合因而在这个过程中引入的大的晶格缺陷少，得到的晶体薄膜质量高S．Nakamura等人研究发现用GaN作为缓冲层与AIN缓冲层作用相当，只不过GaN缓冲层要薄一些，并迸一步描述了在GaN缓冲层上生长的过程：　　1、在GaN缓冲层微晶粒处的岛状生长；　　2、GaN岛的横向生长；　　3、岛间合并；　　4、准二维生长;　　在低温生长的GaN缓冲层是非晶态的。

从低温500℃升N1000℃的退火过程有两个作用：　　1、使缓冲层结晶化，提高缓冲层的结晶质量，这有利于GaN#f．延层的生长；　　2、使缓冲层的表面粗糙，甚至使其变成不连续的岛状，这不利于GaN的生长　　因此，最佳缓冲层的厚度，是经过退火后，缓冲层的表面形貌和结晶学质量之间的折中此后，Akasaki和Nakamura等又分别对两步法进行了仔细的研究和完善现在两步法己基本成为MOCVD方法牛长6aN的标准工艺低温缓冲层的作用在于：解决了异质外延体系中的大失配的问题不仅为高温外延生长提供了成核中心，也成为应力释放中心　　3.GaN的P型掺杂　　P型掺杂是长期困扰GaN器件应用的问题由于氮空位和晶体的不完整性，非故意掺杂生长的GaN都是N型的，不生长缓冲层时，背景载流子浓度在1019～1018cm-3，通过优化工艺和生长缓冲层，可降至1016～1017cm-3在1989年，Amano等人通过MOCVD、Mg的掺杂和低能量的电子辐照处理，首次获得了P型GaN，并作成了P—n结发光二极管但P型化程度不够，仅得1016cm-3的掺杂载流子浓度并且，其它课题组很少能重复出相同的实验结果中村修二等人在做同样的研究时发现，当低能量的电子辐照GaN薄膜时，GaN的温度达至lJT00℃的高温。

并对掺Mg的GaN进行热退火处理，同样可得低电阻的P型GaN处理后，不仅处延层表面达到P型化，而且比电子照射更有效地获得了整个膜均匀的P型导电性能虽然P型导电已实现，但导电性能并不稳定，直接影响至ULED和LD的性能　　1992年中村修二等人发现了Mg_H络合物的补偿问题[27]，把掺Mg的GaN膜在氮气下热处理，温度升至lJ700℃时，电阻率会迅速下降：而这种材料继而在NH，气氛下热处理，700．12以上又迅速恢复到原来高阻，显示虚假的高阻抗，这是H使Mg钝化而失去电活性所造成的由于Mg-H络合物的结合能不算大，可通过700℃温度N：气氛围下热处理消除，从而获得真　　正的低阻膜同电子辐照处理相比，热退火工艺具有简单、可靠以及可以实现规模化生产这一重大突破可以说是GaN研究史上的里程碑，使GaN光电材料和器件得到了迅速发展现在P型掺杂的空穴浓度已能达到2～3×1018cm-3目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。