北京大學GaN半導體課件

預備知識1960年前后，最早由H.Kroemer

和Zh.I.Alferou

等提出異質(zhì)結構的概念。阿耳費羅夫與克勒默(Kroemer)分享2ooo年諾貝爾物理學獎。1970年，貝爾實驗室的潘尼希（Ｍorton

Panish）和哈亞希(IzuoHayashi)成功地實現(xiàn)了雙異質(zhì)結半導體激光器的室溫連續(xù)工作。第一章半導體異質(zhì)結簡介同質(zhì)結：由同一種半導體材料不同摻雜區(qū)構成的結。如p-n結。

異質(zhì)結：由不同半導體材料構成的結。同型異質(zhì)結(nN,pP)異型異質(zhì)結(nPorpN)

異質(zhì)結構概念半導體激光器具有不同禁帶的材料構成的異質(zhì)結，在能帶圖上形成局域化的跳變。這種勢能錯開提供了一個可控制載流子的勢壘。提高注入效率。能帶錯開可以用來將載流子限制在所需的區(qū)域。例如半導體激光器中的雙異質(zhì)結。通過選擇異質(zhì)結兩邊的材料，可以控制在發(fā)光的區(qū)域（直接禁帶材料）、吸收光的區(qū)域和透明的區(qū)域（窗口層）。異質(zhì)結兩邊具有不同折射率的材料，可以用來構成波導，將光限制在選擇的區(qū)域。異質(zhì)結的用途：n1n2n2

第二章半導體異質(zhì)結的組成與生長問題？立方晶與六方晶的區(qū)別與聯(lián)系維達定理半導體合金材料（用途）MOCVDMBE自組織生長RHEED第一節(jié)材料的一般特性第二節(jié)異質(zhì)結界面的晶格失配第三節(jié)金屬有機物化學氣相外延生長第四節(jié)分子束外延法（MBE）內(nèi)容第一節(jié)材料的一般特性信息電子等方面的應用需要，如通訊，顯示等半導體器件：發(fā)光，探測，半導體材料選擇：Si，Ge，GaAs，GaN襯底n型區(qū)p型區(qū)有源區(qū)

襯底的選取有源區(qū)材料的選取:l(mm)=1.24/Eg(eV)(2.1.1)

特定波長可通過調(diào)節(jié)Eg獲得。不同材料Eg不同合金量子阱材料的實現(xiàn)；外延生長質(zhì)量評價結構特性：XRD光學特性:PL電學特性:霍爾，I-V主要有兩類：立方晶cubic六方晶wurtzite晶格常數(shù):Si:5.43A,Ge:5.658AGaAs:5.56A,GaN:c=5.189A,a=3.192A1晶格結構形成異質(zhì)結1雙原子層堆積2偶極層

立六方結構1穩(wěn)態(tài)與亞穩(wěn)態(tài)2與襯底的關系，Si襯底技術3相的混入與抑制4超晶格？(0001)

GaN的生長極性

（PolarityofWurtziteGaN）N-FaceGa-Face(0001)把兩種半導體A和B混合成合金時，（1）混合材料的晶體結構。（2）原子在合金材料內(nèi)的分布狀況。設x為材料A的量，形成AxB1-x時，有以下幾種情況：#兩種材料分布在材料的不同區(qū)域，形成分凝相。在每個合金點上，A原子占據(jù)的概率為x,B原子占據(jù)的概率為(1-x).形成隨機合金材料。A原子和B原子按一定規(guī)則形成周期結構，形成超晶格。在三元合金情況下,如GaAlAs,GaAlN,InGaN.禁帶寬度隨組分.2半導體合金材料Eg(GaxAl1-xN)=Eg(GaN)*x+Eg(AlN)*(1-x)–b*x*(1-x)superlatticePhaseseparationABAB對直接禁帶半導體材料，材料的禁帶寬度滿足：Eg(GaxIn1-xN)=Eg(GaN)*x+Eg(InN)*(1-x)–b*x*(1-x)Eg(GaxAl1-xN)=Eg(GaN)*x+Eg(AlN)*(1-x)–b*x*(1-x)禁帶寬度的經(jīng)驗公式b適用范圍InGaN3.2(strained)X<0.20AlGaN0.25(strained)X<0.25InGaN

3.8(unstrained)

X<0.20Jpn.J.Appl.Phys.V36(1996),pp.L177-179波長變長Al組分減少時：波長變短Al組分增加時：調(diào)節(jié)發(fā)光波長形成異質(zhì)結AlGaNGaNAlNAlGaN1合金2相分離3超晶格4波長調(diào)節(jié)晶體特性測量sapphireGaN1探測晶體結構2評價結晶質(zhì)量AlGaNGaN例1對于c=5.189,(0002)面

d=c/l=2.59452dsin=n,q=arcsin(l/2d)=arcsin(1.5443/5.189)=17.312q=34.62deg第二節(jié)異質(zhì)結界面的晶格失配1晶格失配度:晶格失配度：a1a21懸掛鍵----界面態(tài)---晶體缺陷：位錯、應變。非輻射復合應變（應力-----能帶變化，----應變量子阱若a1a2，則在異質(zhì)結界面處會存在應力。若a1>a2，晶格常數(shù)大的材料1的原子受到壓縮應力，而晶格常數(shù)小的材料2的原子受到拉伸應力。這就使得界面附近的晶格常數(shù)不同于各自的體材料晶格常數(shù)，從而產(chǎn)生應變。如果外延層很薄，足以承當這種應力，則可以使界面處維持晶體完整性而不出現(xiàn)位錯。外延層厚度超過其臨界厚度時，就會出現(xiàn)晶格弛豫，應變能被釋放出來，引進一定密度的位錯。等于交界處鍵密度之差.2懸掛鍵密度計算SL包含在這個面中的鍵數(shù)為2.可以看出，在（111）面上，異質(zhì)結界面態(tài)密度最小。然而實際的器件結構中，由于（110）面易于解理這一性質(zhì)，常常利用它來作光學諧振腔面。相應地，與其垂直的（100）常被用來作外延生長的異質(zhì)結界面。因而，其界面態(tài)密度相對于其它晶面要高一些。(111)面上的懸掛鍵密度第三節(jié)金屬有機物化學氣相外延生長襯底外延生長1液相外延2氣相外延MOCVD3分子束外延也稱為MOVPE（金屬有機物氣相外延MetalorganicVaporPhaseEpitaxy）。它是在60年代末由Manasevit提出。由于其復雜性，它的發(fā)展比較緩慢，直到80年代中后期才成為比較成熟的晶體生長技術。此后MOCVD得到了十分廣泛的應用，日益成為介觀物理、半導體材料和器件的研究以及生產(chǎn)領域最重要的外延技術之一。在GaAs、InP和GaN材料系的應用中，由它制備的材料和器件性能達到或超過了其它任何晶體外延技術的水平。與其它外延技術相比，MOCVD具有反應室簡單，材料純度高，生長界面陡，操作容易，應用范圍廣，可用于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點.這種方法的特點是，利用蒸汽壓高的金屬烷基化合物（甲基化合物，乙基化合物等），向襯底上輸送Al、Ga、In等元素進行化合物半導體生長，這些金屬有機物在氫氣氛中進行熱分解析出金屬，同時甲基和乙基則變成甲烷和乙烷。MOCVD金屬有機物化學氣相沉積（MetalorganicChemicalVapor-phaseDeposition）MOCVD設備可分為四個系統(tǒng)：(1)載氣和源供應系統(tǒng)，MOCVD所用的源有氣體源和需要用載氣攜帶的固、液體源；(2)反應室和控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)又分為壓強、流量和溫度三個控制分系統(tǒng)，分別控制反應室的壓強，載氣及氣體源的流量和反應室的溫度等；(3)尾氣處理系統(tǒng)尾氣處理系統(tǒng)由裂解爐和噴淋塔組成，用于分解和吸收尾氣中的有毒物質(zhì)，減少污染；(4)安全保障系統(tǒng)。安全系統(tǒng)包括壓強、有毒氣體和可燃氣體報警裝置以及應急反應裝置，用于保證系統(tǒng)和操作人員的安全。表面復相反應機制認為：外延生長是按照下列步驟進行的，（1）反應物氣體混合物輸運到外延生長區(qū)；（2）反應物分子通過擴散，穿過邊界層到達襯底表面（3）吸附分子間或吸附物與氣體分子間發(fā)生化學反應生成晶體原子和氣體副產(chǎn)物；（4）生成的晶體原子沿襯底表面擴散到達襯底表面上晶格的扭折或臺階處結合進晶體點陣；（5）副產(chǎn)物從表面脫附擴散穿過邊界層進入主氣流中被排出系統(tǒng)。外延生長機制模型第四節(jié)

分子束外延法（MBE）分子束外延技術(MBE):本質(zhì)上是一個在超高真空條件下,對蒸發(fā)源和外延襯底溫度加以精確控制的薄膜蒸發(fā)技術.MolecularBeamEpitaxyMBE設備真空系統(tǒng)、生長系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)生長系統(tǒng)：進樣室、預處理室（襯底存儲室）、生長室監(jiān)控系統(tǒng)：四極質(zhì)譜儀：真空度檢測，監(jiān)測殘余氣體和分子束流的成分電離計：測量分子束流量電子衍射儀：觀察晶體表面結構以及生長表面光潔平整度俄歇譜儀：檢測表面成分、化學計量比和表面沾污等液氮冷卻：高真空，室壁原子飛向襯底極低背景壓力：用電子束監(jiān)視生長在超高真空腔內(nèi)，源材料通過高溫蒸發(fā)、輝光放電離子化、氣體裂解，電子束加熱蒸發(fā)等方法，產(chǎn)生分子束流。從源射出的分子束撞擊襯底表面被吸附被吸附的分子（原子）在表面遷移、分解原子進入晶格位置發(fā)生外延生長未進入晶格的分子因熱脫附而離開表面1MBE特點：MOCVD:1030OCMBE:700OCMBE生長（1）表面凈化加溫GaAs573oC離子照射H原子照射。2生長條件：V/IIIratio，襯底溫度。InsituSiRHEED像高能電子衍射ReflectionHighEnergyElectronDiffractionGrowthmechanismsSelfAssembedstructures量子點激光器量子點探測器芯片白光赫伯特-克勒默-個人概述

赫伯特-克勒默，來自美國加利福尼亞大學，他于1952年獲得德國哥丁根大學理論物理學碩士學位，畢業(yè)后一直致力于研究半導體設備。1963年，他提出了雙異質(zhì)結構激光的概念，是這一領域的先驅(qū)之一，他所提出的概念遠遠超出了當時在半導體領域的研究水平。八十年代時，這種理念和相應的技術才被大量應用開來。在到美國加利福尼亞大學從事實驗研究之后，他研究出多種實用半導體技術，涵蓋了高性能設備、材料研究、固態(tài)物理等諸多新興領域。出色的研究成果曾為他贏得了多項國內(nèi)外大獎全名卓爾斯?伊凡諾維奇?阿爾費羅夫(Zhores

Ivanovich

Alfyorov)。蘇聯(lián)物理學家，與克勒默和基爾比一起為現(xiàn)代電腦和資訊技術做了許多基礎性工作，從而共獲2000年諾貝爾物理獎。

阿爾費羅夫于1970年從艾奧費物理技術學院(A.F.Ioffe

Physico-TechnicalInstitute)獲得物理和數(shù)學博士學位；1987年成為該學院院長。1950年代開始研制用半導體異型結構制作快速的光電和微電子元件(當時大多數(shù)電腦晶片和其他半導體元件都是由一種材料如矽制作的，異型結構半導體是由不同材料層組成的)。克勒默的理論認為，異型結構電晶體的性能要優(yōu)于傳統(tǒng)的電晶體，阿爾費羅夫和他的研究小組用克勒默的理論，于1966年研制出第一個實用的異型結構電子器件。之後，他們在用異型結構制作電子元件方面一直處于先驅(qū)的地位，包括第一支異型結構雷射，這是由阿爾費羅夫和克勒默于1963年各自提出的。異型結構的固體雷射使光纖通信成為可能，後來，異型結構的器件還用于通訊衛(wèi)星、條碼閱讀機、手提電話通信以及其他的產(chǎn)品。阿爾費羅夫英文名：Alferov,Zhores

(1930.3.15,蘇聯(lián)白俄羅斯〔今白俄羅斯共和國〕維捷布斯克)上世紀六十年代初開始將半導體材料作為激光媒質(zhì)，伯納德（Bernard）和杜拉福格（Duraffourg）提出在半導體中實現(xiàn)受激輻射的必要條件：對應于非平衡電子，空穴濃度的準費米能級差必須大于受激發(fā)射能量。由此，半導體激光器開始了從同質(zhì)結到異質(zhì)結的快速發(fā)展過程，單異質(zhì)結最初由美國的克羅默（Kroemer）和前蘇聯(lián)的阿爾費洛夫于1963年提出，其實質(zhì)是把一個窄帶隙的半導體材料夾在兩個寬帶隙半導體之間，從窄帶隙半導體中產(chǎn)生高效率復合和輻射，這個設想很大程度上取決于異質(zhì)結材料的生長工藝，1967年IBM公司的伍德爾（Woodall）用液相外延方法（LPE）在GaAs上生長出AlGaAs，兩三年后，貝爾實驗室的潘尼希（Panish）等人研制成功AlGaAs/GaAs單異質(zhì)結半導體激光器。雖然單異質(zhì)結能夠利用其勢壘將注入電子限制在GaAsP-N結的P區(qū)內(nèi)使室溫閾值電流密度降到水平，但真正的突破是雙異質(zhì)結（DH）的發(fā)明：把p-GaAs半導體夾在N-AlxGa1-xAs層和P-AlxGa1-xAs層之間，兩個異質(zhì)結勢壘能有效地將載流子和光場限制在p-GaAs薄層有源層內(nèi)，使室溫閾值電流密度減小