GaN最新研究與應(yīng)用

1、GaN最新研究與應(yīng)用最新研究與應(yīng)用張翔宇張翔宇沈鑫磊沈鑫磊袁禹亮袁禹亮田新斌田新斌Logo目錄目錄簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介1GaNGaN應(yīng)用于應(yīng)用于 HEMTHEMT2GaNGaN應(yīng)用于激光器應(yīng)用于激光器3GaNGaN應(yīng)用于應(yīng)用于LEDLED4Logo1.簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介GaN 禁帶寬度大、熱導(dǎo)率大、介電常數(shù)小、飽和電子漂移速度高、擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高、高抗輻射能力等特點(diǎn)。 禁帶寬度3.4eV，存在很強(qiáng)的原子鍵，是極穩(wěn)定的化合物。 三種屬于不同晶系的結(jié)構(gòu)：六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)、立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)以及立方鹽礦結(jié)構(gòu)。LogoLogo2.GaN2.GaN HEMTHEMT這種器件及其集成電路都能夠工作于超高頻（毫米波）、超高速領(lǐng)域，原因就

2、在于它是利用具有很高遷移率的所謂二維電子氣來(lái)工作的。2.1簡(jiǎn)介HEMTHEMT，高電子遷移率晶體管是一種異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，又稱為調(diào)制摻雜場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MODFET）、二維電子氣場(chǎng)效應(yīng)晶體管（2-DEGFET）、選擇摻雜異質(zhì)結(jié)晶體管 (SDHT)等。Logo2.2 GaN HEMT結(jié)構(gòu)高電子遷移率大電流適用于低壓工作可制作成納米柵毫米波器件優(yōu)勢(shì)：Logo2.3 2.3 耗盡型耗盡型 HEMTHEMT 耗盡型HEMT 研究開(kāi)展較早，早在1994 年，M.A.Khan 等人報(bào)道了柵長(zhǎng)0. 25 um 的GaN HEMT，截止頻率( fT) 和最大振蕩頻率( fmax)分別達(dá)到11 GHz 和35

3、GHz 。PS：對(duì)于GaN體系的HEMT，通常在Vg =0 時(shí)就存在有2-DEG的器件為耗盡型器件，反之則為增強(qiáng)型器件。 Logo Yuanzheng Yue等人利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積的方法，成功制備出不含背勢(shì)壘層，柵長(zhǎng)為30nm的InAlN/AlN/GaN/SiC HEMT器件， fT打破了之前的記錄，達(dá)到了370 GHz。摻FeLogo2.4 2.4 增強(qiáng)型增強(qiáng)型HEMTHEMT 增強(qiáng)型器件能夠簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，主要應(yīng)用于高速數(shù)模電路。但是AIGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)而言，由于界面有大量電荷存在，天然形成的是耗盡型器件，增強(qiáng)型器件一直到1996 年，才由M.Khan 等人報(bào)道了第一只增強(qiáng)型

4、器件。Logo3.GaN3.GaN 激光器激光器u1917年，愛(ài)因斯坦建立了“受激輻射”的理論。u1951年，美國(guó)物理學(xué)家珀塞爾和龐德在實(shí)驗(yàn)中成功地造成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并獲得了每秒50千赫的受激輻射。u1958年，湯斯和肖洛提出激光原理，湯斯和肖洛因此被認(rèn)為是激光的發(fā)明者，湯斯也由此獲得了1964年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。u1960年5月，美國(guó)科學(xué)家梅曼做出了世界上第一臺(tái)紅寶石激光器。u1962年，美國(guó)通用電氣試驗(yàn)室的工程師哈爾研制出了砷化鎵材料的半導(dǎo)體激光器，可以發(fā)射出波長(zhǎng)為850nm的近紅外激光。3.1 3.1 激光器的激光器的發(fā)展歷程發(fā)展歷程u19世紀(jì)70年代觀察到GaN晶體的光泵浦受激發(fā)射。此

5、后，探索MOCVD工藝以促進(jìn)高質(zhì)量的GaN。u1989年，p型GaN的獲得促使GaN激光器朝向商業(yè)化發(fā)展。Logo該激光器的優(yōu)點(diǎn)：唯一實(shí)現(xiàn)了p型和n型摻雜、長(zhǎng)壽命工作并且商業(yè)化短波發(fā)光可用于光存儲(chǔ)提高存儲(chǔ)密度高光譜純度和發(fā)光效率高純度藍(lán)光可與紅光、黃光組合獲得可見(jiàn)光光譜中90%的顏色Logo3.2 3.2 紫外激光器紫外激光器GaN-AlN系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以獲得幾乎整個(gè)紫外區(qū)域的光譜，由于半導(dǎo)體激光器本身具有成本較低、易操作、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而很有可能取代傳統(tǒng)的氣體和固體紫外激光器。 GaN基紫外激光器的研究基紫外激光器的研究2007年，Yoshida 等制備了336nm波長(zhǎng)的激光器，閾值電流密度

6、為17kA/cm2。2008年，Yoshida 等制備了342nm波長(zhǎng)的激光器，閾值電流密度為8kA/cm2。2011年，Banal等制備了基于AlGaN/AlN量子阱的波長(zhǎng)在247nm，內(nèi)量子效率為69%的紫外激光器。Logo AlGaN MQW UV laser diode.Yoshida H. et al. Nature Photonics. 2008, 2(9): 551-554.l2008年，Yoshida H等采用AlGaN的多量子阱結(jié)構(gòu)制備得到了紫外光的激光器Kneissl M, Yang Z H, Teepe M, et al. JOURNAL OF APPLIED PHYSI

7、CS. 2007, 101(12310312). InAlGaN heterostructure for a UV laser diodel2007年，Kneissl等采用InGaN的多量子阱結(jié)構(gòu)制備得到了紫外光的激光器Logo3.3 3.3 具體應(yīng)用實(shí)例具體應(yīng)用實(shí)例高密度存儲(chǔ)l作為新一代存儲(chǔ)介質(zhì)，藍(lán)光存儲(chǔ)擁有比紅光存儲(chǔ)更大的存儲(chǔ)量，更方便信息存儲(chǔ)。l相比于磁存儲(chǔ)，光存儲(chǔ)介質(zhì)的信息不易丟失。Logo利用高光譜純度和發(fā)光效率，應(yīng)用于電視機(jī)光源、投影儀以及微投影儀Logo4.GaN4.GaN應(yīng)用于應(yīng)用于LEDLED4.1 4.1 GaNGaN LED LED 的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀GaA

8、sPN 較較短波長(zhǎng)的短波長(zhǎng)的LED光發(fā)射光發(fā)射直接帶隙直接帶隙GaAlAs三元三元系材料系材料研制出研制出GaAlInP 紅、橙超高紅、橙超高亮度亮度LED高效率、全高效率、全固態(tài)、環(huán)保固態(tài)、環(huán)保型型LEDLogo4.2 4.2 InGaNInGaN/ /GaNGaN量子點(diǎn)量子點(diǎn)/ /納米線結(jié)構(gòu)的納米線結(jié)構(gòu)的LEDLED內(nèi)量子效率高的原因：內(nèi)量子效率高的原因：量子點(diǎn)量子點(diǎn)嵌入納米線嵌入納米線的的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)GaNGaN納米結(jié)構(gòu)幾乎無(wú)納米結(jié)構(gòu)幾乎無(wú)缺陷，無(wú)應(yīng)力缺陷，無(wú)應(yīng)力p p型摻雜，空穴遷移型摻雜，空穴遷移率高率高內(nèi)量子效率達(dá)到內(nèi)量子效率達(dá)到56.856.8%H. P. T. Nguy

9、en et. al., Nano Lett. 2011, 11, 19191924Logo4.3 4.3 柔性防水柔性防水GaNGaN LED LED 采用采用計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算機(jī)輔助工藝工藝設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) GaN LEDGaN LED轉(zhuǎn)移到高分子基底前后的轉(zhuǎn)移到高分子基底前后的場(chǎng)致發(fā)光場(chǎng)致發(fā)光圖譜圖譜看出：峰有微弱遷移，依然發(fā)藍(lán)光看出：峰有微弱遷移，依然發(fā)藍(lán)光Sang Yong Lee, Kwi-Il Park et al. Nano Energy (2012) 1, 145151Logo a a顯示不同彎曲強(qiáng)度下，光學(xué)、電學(xué)性能均保持穩(wěn)定顯示不同彎曲強(qiáng)度下，光學(xué)、電學(xué)性能均保持穩(wěn)定 b b圖疲勞測(cè)試，彎曲高達(dá)圖疲勞測(cè)試，彎曲高達(dá)20002000次的條件下，依然保持次的條件下，依然保持電學(xué)性能穩(wěn)定電學(xué)性能穩(wěn)定Sang Yong Lee, Kwi-Il Park et al. Nano Energy (2012) 1, 145151GaN LEDGaN LED柔性證明柔性證明Logo器件基礎(chǔ)上加了熒光粉，器件基礎(chǔ)上加了熒光粉，形成白光形成白光存在兩個(gè)峰，分別為存在兩個(gè)峰，分別為440nm以及以及540nm隨著電流的增大隨著電流的增大0.1mA-1.0mA，峰變高，峰變高Sang Yong Lee, Kwi-Il Park et al. Nano Ener