GaN半導(dǎo)體材料綜述 功能納米材料

1、弋UniverartyoT Science and Tectinologir BeijingGaN半導(dǎo)體材料綜述課程名稱：納米功能材料與器件 學(xué)生姓名：XX院：新材料技術(shù)研究院號:XXXX級：XXXX任課老師:顧有松刖言2015-12目錄GaN材料的性能研究2.12.22.32.4物理性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)電學(xué)性質(zhì)光學(xué)性質(zhì)GaN材料的制備3.13.23.32.2.2.3.金屬有機(jī)化學(xué)氣相外延技術(shù)（MOCVD）分子束外延（MBE）氫化物氣相外延（HVPE）GaN材料的器件構(gòu)建與性能4.14.24.34.4結(jié)論4.5.GaN基發(fā)光二極管（LED）GaN基激光二極管（LD）.GaN基電子器件GaN基紫外光探測

2、器.6.6.8參考文獻(xiàn)1 前言繼硅（Si）引導(dǎo)的第一代半導(dǎo)體和砷化鎵（GaAS引導(dǎo)的第二代半導(dǎo)體后，以碳 化硅（SiC）、氮化傢（GaN、氧化鋅（ZnO、金剛石、氮化鋁（AIN）為代表的第三 代半導(dǎo)體材料閃亮登場并已逐步發(fā)展壯大。作為第三代半導(dǎo)體的典型代表，GaN材料是一種直接帶隙以及寬帶隙半導(dǎo)體材料。室溫下其禁帶寬度為3.4eV，具有高臨界擊穿電場、高電子漂移速度、高熱導(dǎo)、 耐高溫、抗腐蝕、抗輻射等優(yōu)良特性，是制作短波長發(fā)光器件、光電探測器以及高 溫、高頻、大功率電子器件的理想材料。 隨著納米技術(shù)的發(fā)展， III 族氮化物一維納 米結(jié)構(gòu)在發(fā)光二極管、場效應(yīng)晶體管以及太陽能電池領(lǐng)域都具有極大的

3、潛在應(yīng)用。進(jìn)入 20 世紀(jì) 90 年代以后，由于一些關(guān)鍵技術(shù)獲得突破以及材料生長和器件工藝水 平的不斷提高,使GaN材料研究空前活躍，GaN基器件發(fā)展十分迅速。基于具有優(yōu)異性質(zhì)的納米尺寸材料制造納米器件是很有意義的，GaN納米結(jié)構(gòu)特別是納米線是滿足這種要求的一種很有希望的材料 1 。本論文主要介紹了 GaN材料的性能研究、制備方法研究、器件構(gòu)建與性能三個方面的內(nèi)容，并最后進(jìn)行了總結(jié)性闡述，全面概括了GaN材料的基本內(nèi)容。2 GaN材料的性能研究2.1 物理性質(zhì)GaN是一種寬帶隙半導(dǎo)體材料，在室溫下其禁帶寬度約為3.4 eV ； Ga和N原子之間很強(qiáng)的化學(xué)鍵，使其具有高達(dá)1700C的熔點；電子漂

4、移飽和速度高，且摻雜濃度對其影響不大；抗輻射、介電常數(shù)小、熱產(chǎn)生率低和擊穿電場高等特點。通常情 況下GaN的晶體結(jié)構(gòu)主要為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)和立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)，前者為穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)， 后者為亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)， 在極端高壓情況下也會表現(xiàn)為立方熔鹽礦結(jié)構(gòu) 2 。目前各種器件 中使用到的都是六方GaN其晶體結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1 GaN方纖鋅礦結(jié)構(gòu)（a）黑色為Ga原子，灰色為 N原子；（b）Ga和N原子的成鍵形式2.2化學(xué)性質(zhì)GaN勺化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，在室溫下它既不與水發(fā)生反應(yīng)，也不和酸或堿發(fā)生化 學(xué)反應(yīng)，但能緩慢地溶解在熱的堿性溶液中。由于 GaN的穩(wěn)定性，對其表面進(jìn)行刻蝕是非常困難的。目前，在工業(yè)生產(chǎn)中主要

5、采用等離子體刻蝕的方法對GaN的表面進(jìn)行處理2。2.3電學(xué)性質(zhì)電學(xué)性能是影響光電器件性能的主要因素。非故意摻雜的GaN般為n型，其載流子濃度約為1014 cm1016 cm。如此高的本征載流子濃度曾一度限制了 GaN的 P型摻雜，給GaN器件的應(yīng)用帶來了困難。至U 1989年H. Amanc等人用電子束照射的方式獲得了 Mg摻雜的P型GaN才使得GaN器件的應(yīng)用有了很大的發(fā)展。另外，GaN材料具有較高的電子遷移率，適度摻雜的AlGaN/Ga N結(jié)構(gòu)電子遷移率更高，而且還具有高的電子漂移速度和較低的介電常數(shù)，是制作高頻微波器件的重要材料。2.4光學(xué)性質(zhì)GaN為直接寬帶隙半導(dǎo)體材料，在室溫下其發(fā)光

6、波長為365 nm位于藍(lán)光波段。InN的禁帶寬度為0.77 eV, GaN的禁帶寬度為3.43 eV, AIN的禁帶寬度為6.2 eV,通過在GaN中摻入不同組分的In和Al，GaN基材料的禁帶寬度可以實現(xiàn)從 0.77eV到6.2 eV的連續(xù)變化，其發(fā)光波長實現(xiàn) 200 nm-656nm的連續(xù)變化，覆蓋了整個可 見光區(qū)和近紫外光區(qū)，所以，非常適合制作各種發(fā)光器件，有可能成為太陽能光伏 產(chǎn)業(yè)的重要材料。3 GaN材料的制備要研發(fā)與制備高質(zhì)量、高性能的InGaN/GaN器件，首先就要制備出高質(zhì)量的GaN 材料。GaN在咼溫下分解為Ga和NH，常壓下無法融化，只有在2200C以上，6GPa以上的N壓

7、力下才能使GaN融化，所以傳統(tǒng)直拉法和布里奇曼法都不能用來生長GaN單晶。至今，GaN材料的獲得仍然以異質(zhì)外延技術(shù)生長為主，即通過在其它晶體襯 底上實現(xiàn)。近年來， 又有出現(xiàn)了一些較為簡單的方法， 包括磁控濺射、 溶膠一凝膠、 脈沖激光沉積和電泳沉積等。在 GaN材料的外延生長方面，應(yīng)用最廣泛的外延生長 技術(shù)主要有：金屬有機(jī)化學(xué)氣相外延技術(shù) (MOCVD)分子束外延(MBE)、氫化物氣相 外延(HVPE)4。下面對這三種生長技術(shù)作簡要概述。3.1 金屬有機(jī)化學(xué)氣相外延技術(shù) (MOCVD)金屬有機(jī)化學(xué)氣相外延又稱為金屬有機(jī)氣相外延 (MOVPE，) 是一種利用有機(jī)金 屬熱分解反應(yīng)進(jìn)行氣相外延生長薄

8、膜的化學(xué)氣相沉積技術(shù)，是在薄膜生長的眾多技 術(shù)中最經(jīng)常運用的技術(shù)之一，是目前生長m族氮化物多層結(jié)構(gòu)最主流的方法，也是 目前唯一能制備出高亮度氮化物發(fā)光二極管并用于規(guī)?；虡I(yè)生產(chǎn)的生長技術(shù)。該方法以三甲基傢(TMGa為有機(jī)傢源，氨氣為氮源并以 HH和N或者這種兩種 氣體的混合氣體為載體，將反應(yīng)物載入反應(yīng)腔并在一定溫度下發(fā)生反應(yīng)，生成相應(yīng) 薄膜材料的分子團(tuán)，在襯底表面上吸附、成核、生長，最后形成所需的外延層。此 外，該沉積系統(tǒng)不需要超高真空，反應(yīng)室可以擴(kuò)展且設(shè)備維護(hù)簡單，己被廣泛應(yīng)用 于大面積、多片GaN外延片的工業(yè)生產(chǎn)中。MOCV法外延GaN的技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用并部分實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但是仍存在一些制

9、約因。首先，MOCV設(shè)備本身價格非常昂貴，生產(chǎn)所使用的原料價格也非常昂貴且 毒性大；其次，同HVPE-樣需要較高溫度使氨氣發(fā)生解離，這就容易引起薄膜出現(xiàn) 氮空位、碳污染以及內(nèi)應(yīng)力，從而影響薄膜的質(zhì)量 5。3.2分子束外延(MBE)分子束外延(MBE)是一種實驗室常用的生長III族氮化物的傳統(tǒng)方法，但其發(fā)展 遠(yuǎn)落后于MOCV技術(shù)，目前還處于發(fā)展的前期階段。圖 3-1為MBE生長的簡單示意 圖。在高真空環(huán)境中反應(yīng)物以分子束或者原子束的形式直接射到襯底上， 經(jīng)過氮化 反應(yīng)，生長具有一定趨向性的 GaN薄膜。目前，采用MBEi術(shù)生長GaN材料主要有兩種方法，其一為氣源分子束外延(GSMBE)以單質(zhì)金屬

10、Ga為Ga源，NH3為N源, 在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成 GaN這種方法的優(yōu)點是生長溫度較低，但較低的溫度同樣也會帶來不利的影響，NH3的分解率很低導(dǎo)致與Ga源的反應(yīng)速率很慢，產(chǎn)物內(nèi)部分子移動性較差，晶體薄膜的質(zhì)量不好。其二是金屬有機(jī)分子束外延(MOMBE)以三甲基傢為Ga源以等離子體或離子源產(chǎn)生的 N束流為N源，在襯底上形成GaN這種方法解決了在低溫條件下 NH3的分解率低的問題，獲得的 GaN薄膜的晶體質(zhì)量較好。UW厲a?電于檢料鳩H崖1蒲圖3-1 MBE系統(tǒng)示意圖冋MBE與 MOCVDD比，它可以在較低溫度下(500 C-800 C)實現(xiàn)GaN的生長，因此可以選用容易產(chǎn)生熱損傷的材料如

11、GaAs 丫 -LiAIO2等作為襯底材料，但由于其生長速率低并且需要極高的真空度，因此不適合應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。3.3氫化物氣相外延(HVPE)最早被用來進(jìn)行GaN外延生長的技術(shù)是氫化物氣相外延（HVPE技術(shù)。在氫化物 氣相外延技術(shù)中，III族源材料使用金屬鎵，V族源材料使用NH3載氣使用氮 氣，反應(yīng)氣體是HCI。反應(yīng)氣體和金屬傢反應(yīng)生成 GaCI或GaCI3, GaCI與NH3反應(yīng)生成GaN然后沉積在襯底上。圖3-2為HVPE生長的簡單示意圖。HVPE術(shù)的特 點是外延生長速度非?？?，薄膜的厚度非常難以精確控制，同時反應(yīng)后生成的尾氣會腐蝕設(shè)備，所以該方法比較難以獲得高質(zhì)量的 GaN薄膜。經(jīng)過許多

12、年的研究，人 們對HVPE技術(shù)進(jìn)行不斷的改進(jìn)并取得了一定的效果 。la圖3-2 HVPE系統(tǒng)示意圖HVPEi術(shù)的優(yōu)勢是設(shè)備簡單，成本低，生長速率快，可以達(dá)到幾百微米每小時；利用該方法也能夠較容易的實現(xiàn) P型摻雜和n型摻雜；HVP戰(zhàn)術(shù)還可以用來生長高質(zhì)量GaN基激光器材料的同質(zhì)襯底。但 HVPE技術(shù)生長異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料比較困難，因此發(fā)展比較緩慢。4 GaN材料的器件構(gòu)建與性能GaN材料既具有GaAs InP等材料的高頻率特性，又具有 SiC的高擊穿電壓特性，在兼顧器件的頻率和功率方面，優(yōu)于其他材料，應(yīng)用前景更好。開發(fā) GaN器件 的主要方向是微波器件，如發(fā)光二極管、激光器和紫外探測器等8。另外，良好

13、的襯 底絕緣性能和散熱性能，有利于制作高溫、大功率器件。目前已經(jīng)成功開發(fā)了 GaN基 MESFETHEMT HBT和 MOFE等器件。4.1 GaN基發(fā)光二極管（LED）由于LED顯色性好、體積小、壽命長、響應(yīng)速度快和高效節(jié)能等優(yōu)點，己廣泛 應(yīng)用在光顯示、交通信號燈、照明等領(lǐng)域，被稱為新一代“綠色光源”。隨著LED應(yīng) 用的越來越廣泛，光顯示領(lǐng)域要求其有更好的顯色性能，照明領(lǐng)域需要其具有更高 的轉(zhuǎn)換效率，極端惡劣環(huán)境中的應(yīng)用要求其具有較好的穩(wěn)定性等。GaN作為直接躍遷 型半導(dǎo)體材料，具有禁帶寬度大、電子飽和速率高、擊穿電場高、熱導(dǎo)率高以及物 理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點，被認(rèn)為是制作 LED器件的最佳材

14、料。IMS Research預(yù)測分析，在LED電視、顯示屏和普通照明領(lǐng)域，GaN （藍(lán)/綠）LED的市場份額將快速增 長。P電極3d 弄 IbGiNMQW- goN”D-lrv,GaN 沖展圖4-1 GaN多量子阱藍(lán)色發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)示意圖圖4-1為GaN多量子阱藍(lán)色發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)示意圖。為了提高LED的發(fā)光效率和純度，目前人們主要采用多量子阱結(jié)構(gòu)作為發(fā)光區(qū)。2009年Q.Dail等人采用InGaN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)的LED其位錯密度只有5.3 X108cm2，內(nèi)量子效率高達(dá)64%。目前商業(yè)生產(chǎn)中的LED均采用多量子阱結(jié)構(gòu)。隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展和各國政策 的大力支持，LED#會有巨大的市場

15、前景。4.2 GaNS激光二極管（LD）在研究更高效GaNS藍(lán)、綠光LED的同時，藍(lán)光LD器件的開發(fā)也成為研究的重點，在信息的高密度光存儲領(lǐng)域的應(yīng)用較其它的激光器有著明顯的優(yōu)勢，其存儲密度能夠達(dá)到1Gbs/cnf。日本Nichia公司在1996年先后實現(xiàn)了在室溫條件下電注入GaN基LD脈沖和連續(xù)工作；Cree-Research公司最先實現(xiàn)了 SiC上橫向器件結(jié)構(gòu)的藍(lán)光激光器；富士通在此基礎(chǔ)上成功研制了可在室溫下連續(xù)激射的InGaN藍(lán)光LD,為GaN基藍(lán)光LD的大規(guī)模應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支持。GaN基藍(lán)光LD的開發(fā)，使激光點徑縮小 40左右，提高存儲容量至少 4 倍以上。由于藍(lán)光 LD 的市場潛

16、力極 大，許多大公司和研究機(jī)構(gòu)都紛紛加入到開發(fā) GaN藍(lán)光LD的行列中。此外，藍(lán)光LD在水下光通信、探測器、激光打印、材料加工和環(huán)境污染監(jiān)控等領(lǐng)域同樣具有廣闊 的應(yīng)用前景。4.3 GaN基電子器件GaN 具有熱導(dǎo)率高、 擊穿電場高、載流子濃度高等優(yōu)良性能， 可以被用來制作微 波高頻器件及大功率高溫電子器件。同GaAs器件相比，GaN的功率密度是其10倍。目前，隨著MBE MOCV等外延技術(shù)的發(fā)展，通過生長多種 GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)己成功開發(fā)GaN基 MESFETMODFETHFET等場效應(yīng)晶體管，在航空、石油勘探、自動化、通信 等領(lǐng)域必將發(fā)揮著不可或缺的重要作用。4.4 GaN基紫外光探測器與SiC

17、、金剛石等半導(dǎo)體材料相比，GaN應(yīng)用于紫外光探測器有諸多優(yōu)勢，如較高的量子效率、信號陡峭、噪聲低、邊帶可調(diào)等優(yōu)勢，從而可以很好的提高紫外光 探測的靈敏度；GaN作為直接帶隙可調(diào)的山族氮化物，在365 nm紫外光波段有很敏銳的截止響應(yīng)特征，在制作器件時可以降低對濾波器的要求；同時GaN基紫外光探 測器在200-400 nm的波段能夠?qū)崿F(xiàn)對太陽盲區(qū)的紫外光探測，并且不受長波輻射的影響。因此GaN基紫外光探測器被廣泛應(yīng)用于空間通訊、臭氧監(jiān)測、水銀燈消毒監(jiān) 控、污染監(jiān)測、激光探測器和火焰?zhèn)鞲械确矫妗? 結(jié)論本文對GaN材料進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹，對GaN材料的有了進(jìn)一步的認(rèn)識與了解。GaN材料的制備方法是豐

18、富多樣的，每種方法都有各自的優(yōu)點和局限。GaN具有非常 穩(wěn)定的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)， 其良好的電學(xué)性質(zhì)使得它非常適合制作各種發(fā)光器件，有可能成為太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的重要材料。它因其光學(xué)特性而被廣泛的用來制作發(fā)光二極管(LED)和激光二極管(LD)。在器件方面，還有GaN基電子器件、GaN基紫外光探測器等。總之，隨著計算材料科學(xué)的不斷完善和實驗技術(shù)的不斷改進(jìn)，GaN材料的研究必將取得更大的突破， 在照明、顯示、光探測、 信息存儲、 航空航天等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用將會更加廣泛。參考文獻(xiàn)1馮慶. GaN 納米線的制備及特性研究 D. 西安電子科技大學(xué) , 2013.2翟化松. GaN 及其摻雜材料的合成與性能研究 D. 太原理工大學(xué) , 2014.3任孟德, 秦建新, 王金亮,等. GaN 材料的應(yīng)用及研究進(jìn)展 J. 超硬材料工程 ,2013, 25(04):34-38.4蔣永志.GaN基藍(lán)光LED的光學(xué)