GaN材料的特性與應用

1、    GaN材料的特性與應用一、前言GaN材料的研究與應用是目前全球半導體研究的前沿和熱點，是研制微電子器件、光電子器件的新型半導體材料，并與SIC、金剛石等半導體材料一起，被譽為是繼第一代Ge、Si半導體材料、第二代GaAs、InP化合物半導體材料之后的第三代半導體材料。它具有寬的直接帶隙、強的原子鍵、高的熱導率、化學穩(wěn)定性好（幾乎不被任何酸腐蝕）等性質和強的抗輻照能力，在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應用方面有著廣闊的前景.表1釬鋅一、前言GaN材料的研究與應用是目前全球半導體研究的前沿和熱點，是研制微電子器件、光電子器件的新型半導體材料，并

2、與SIC、金剛石等半導體材料一起，被譽為是繼第一代Ge、Si半導體材料、第二代GaAs、InP化合物半導體材料之后的第三代半導體材料。它具有寬的直接帶隙、強的原子鍵、高的熱導率、化學穩(wěn)定性好（幾乎不被任何酸腐蝕）等性質和強的抗輻照能力，在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應用方面有著廣闊的前景.表1釬鋅礦GaN和閃鋅礦GaN的特性二、 GaN材料的特性晶體一般是六方纖鋅礦結構。它在一個無胞中有4個原子，原子體積大約為GaAs的一半。因為其硬度高，又是一種良好的涂層保護材料。2.1GaN的化學特性在室溫下，GaN不溶于水、酸和堿，而在熱的堿溶液中以非常緩慢的速度溶解。NaOH、H2SO4和H3

3、PO4能較快地腐蝕質量差的GaN，可用于這些質量不高的GaN晶體的缺陷檢測。GaN在HCL或H2氣下，在高溫下呈現(xiàn)不穩(wěn)定特性，而在N2氣下最為穩(wěn)定。2.2GaN的結構特性表1列出了纖鋅礦GaN和閃鋅礦GaN的特性比較。2.3GaN的電學特性GaN的電學特性是影響器件的主要因素。未有意摻雜的GaN在各種情況下都呈n型,最好的樣品的電子濃度約為4×1016/cm3。一般情況下所制備的P型樣品，都是高補償?shù)?。很多研究小組都從事過這方面的研究工作，其中中村報道了GaN最高遷移率數(shù)據(jù)在室溫和液氮溫度下分別為μn=600cm2/v·s和n= 1500cm2/v

4、·s，相應的載流子濃度為n=4×1016/cm3和n=8×1015/cm3。近年報道的MOCVD沉積GaN層的電子濃度數(shù)值為4 ×1016/cm3、&lt;1016/cm3；等離子激活MBE的結果為8×103/cm3、<1017/cm3。未摻雜載流子濃度可控制在10141020/cm3范圍。另外，通過P型摻雜工藝和Mg的低能電子束輻照或熱退火處理，已能將摻雜濃度控制在10111020/cm3范圍。2.4GaN的光學特性人們關注的GaN的特性，旨在它在藍光和紫光發(fā)射器件上的應用。Maruska和Tietjen首先精確地測量了GaN直

5、接隙能量為3.39eV。幾個小組研究了GaN帶隙與溫度的依賴關系，Pankove等人估算了一個帶隙溫度系數(shù)的經(jīng)驗公式：dE/dT=6.0×104eV/k。 Monemar測定了基本的帶隙為3.503eV±0.0005eV，在1.6kT為Eg=3.503（5.08×104T2)/(T996) eV。另外，還有不少人研究GaN的光學特性。三、GaN材料生長GaN材料的生長是在高溫下，通過TMGa分解出的Ga與NH3的化學反應實現(xiàn)的，其可逆的反應方程式為：GaNH3=GaN3/2H2生長GaN需要一定的生長溫度，且需要一定的NH3分壓。人們通常采用的方法有常規(guī)MOCVD

6、(包括APMOCVD、LPMOCVD)、等離子體增強MOCVD（PEMOCVD）和電子回旋共振輔助MBE等。所需的溫度和NH3分壓依次減少。本工作采用的設備是APMOCVD，反應器為臥式，并經(jīng)過特殊設計改裝。用國產(chǎn)的高純TMGa及NH3作為源程序材料，用DeZn作為P型摻雜源，用（0001）藍寶石與（111）硅作為襯底采用高頻感應加熱，以低阻硅作為發(fā)熱體，用高純H2作為MO源的攜帶氣體。用高純N2作為生長區(qū)的調(diào)節(jié)。用HALL測量、雙晶衍射以及室溫PL光譜作為GaN的質量表征。要想生長出完美的GaN，存在兩個關鍵性問題，一是如何能避免NH3和TMGa的強烈寄生反應，使兩反應物比較完全地沉積于藍寶

7、石和Si襯底上，二是怎樣生長完美的單晶。為了實現(xiàn)第一個目的，設計了多種氣流模型和多種形式的反應器，最后終于摸索出獨特的反應器結構，通過調(diào)節(jié)器TMGa管道與襯底的距離，在襯底上生長出了GaN。同時為了確保GaN的質量及重復性，采用硅基座作為加熱體，防止了高溫下NH3和石墨在高溫下的劇烈反應。對于第二個問題，采用常規(guī)兩步生長法，經(jīng)過高溫處理的藍寶石材料，在550，首先生長250A0左右的GaN緩沖層，而后在1050生長完美的GaN單晶材料。對于 Si襯底上生長GaN單晶，首先在1150生長AlN緩沖層，而后生長GaN結晶。生長該材料的典型條件如下：NH3：3L/minTMGa：20mol/minV

8、/=6500N2：34L/minH2：2<1L/min人們普遍采用Mg作為摻雜劑生長P型GaN，然而將材料生長完畢后要在800左右和在N2的氣氛下進行高溫退火，才能實現(xiàn)P型摻雜。本實驗采用 Zn作摻雜劑，DeZ2n/TMGa=0.15，生長溫度為950，將高溫生長的GaN單晶隨爐降溫，Zn具有P型摻雜的能力，因此在本征濃度較低時，可望實現(xiàn)P型摻雜。但是，MOCVD使用的Ga源是TMGa，也有副反應物產(chǎn)生，對GaN膜生長有害，而且，高溫下生長，雖然對膜生長有好處，但也容易造成擴散和多相膜的相分離。中村等人改進了MOCVD裝置，他們首先使用了TWOFLOWMOCVD（雙束流MOCVD）技術，

9、并應用此法作了大量的研究工作，取得成功。雙束流MOCVD生長示意圖如圖1所示。反應器中由一個H2NH3TMGa組成的主氣流，它以高速通過石英噴平行于襯底通入，另一路由H2N2 形成輔氣流垂直噴向襯底表面，目的是改變主氣流的方向，使反應劑與襯底表面很好接觸。用這種方法直接在&alpha;Al2O3基板（C面）生長的GaN膜，電子載流子濃度為1×1018/cm3，遷移率為200cm2/v·s，這是直接生長GaN膜的最好值。四、GaN材料的應用4.1GaN基新型電子器件圖1雙氣流MOCVD生長GaN裝置 圖2GaN基器件與CaAs及SiC器件的性能比較 

10、; GaN材料系列具有低的熱產(chǎn)生率和高的擊穿電場，是研制高溫大功率電子器件和高頻微波器件的重要材料。目前，隨著 MBE技術在GaN材料應用中的進展和關鍵薄膜生長技術的突破，成功地生長出了GaN多種異質結構。用GaN材料制備出了金屬場效應晶體管（MESFET）、異質結場效應晶體管(HFET)、調(diào)制摻雜場效應晶體管（MODFET）等新型器件。調(diào)制摻雜的AlGaN/GaN結構具有高的電子遷移率(2000cm2/v·s)、高的飽和速度(1×107cm/s)、較低的介電常數(shù)，是制作微波器件的優(yōu)先材料；GaN較寬的禁帶寬度(3.4eV) 及藍寶石等材料作襯底，散熱性能好，有利

11、于器件在大功率條件下工作。圖2示出了GaN電子器件的性能與GaAs和SiCMESFET的比較，從圖中可以很好地看到GaN基電子器件具有很好的應用前景。4.2GaN基光電器件GaN材料系列是一種理想的短波長發(fā)光器件材料，GaN及其合金的帶隙復蓋了從紅色到紫外的光譜范圍。自從1991年日本研制出同質結GaN藍色LED之后，InGaN/AlGaN雙異質結超亮度藍色LED、InGaN單量子阱GaNLED相繼問世。目前，Zcd和6cd單量子阱GaN藍色和綠色 LED已進入大批量生產(chǎn)階段，從而填補了市場上藍色LED多年的空白。以發(fā)光效率為標志的LED發(fā)展歷程見圖3。藍色發(fā)光器件在高密度光盤的信息存取、全光

12、顯示、激光打印機等領域有著巨大的應用市場。隨著對族氮化物材料和器件研究與開發(fā)工作的不斷深入，GaInN超高度藍光、綠光LED技術已經(jīng)實現(xiàn)商品化，現(xiàn)在世界各大公司和研究機構都紛紛投入巨資加入到開發(fā)藍光LED的競爭行列。1993年，Nichia公司首先研制成發(fā)光亮度超過lcd的高亮度GaInN/AlGaN異質結藍光LED，使用摻Zn的GaInN作為有源層，外量子效率達到2.7,峰值波長450nm,并實現(xiàn)產(chǎn)品的商品化。1995年，該公司又推出了光輸出功率為2.0mW，亮度為6cd商品化GaN綠光 LED產(chǎn)品，其峰值波長為525nm，半峰寬為40nm。最近，該公司利用其藍光LED和磷光技術，又推出了白

13、光固體發(fā)光器件產(chǎn)品，其色溫為6500K，效率達7.5流明/W。除Nichia公司以外，HP、Cree等公司相繼推出了各自的高亮度藍光LED產(chǎn)品。高亮度LED的市場預計將從1998年的 3.86億美元躍升為2003年的10億美元。高亮度LED的應用主要包括汽車照明，交通信號和室外路標，平板金色顯示，高密度DVD存儲，藍綠光對潛通信等。在成功開發(fā)族氮化物藍光LED之后，研究的重點開始轉向族氮化物藍光LED器件的開發(fā)。藍光LED在光控測和信息的高密度光存儲等領域具有廣闊的應用前景。目前Nichia公司在GaN藍光LED領域居世界領先地位，其GaN藍光LED室溫下2mW連續(xù)工作的壽命突破10000小時

14、。HP公司以藍寶石為襯底，研制成功光脊波導折射率導引GaInN/AlGaN多量子阱藍光LED。Cree公司和Fujitsu公司采用SiC作為襯底材料，開發(fā) 族氮化物藍光LED，CreeResearch公司首家報道了SiC上制作的CWRT藍光激光器，該激光器彩霞的是橫向器件結構。富士通繼Nichia，CreeResearch和索尼等公司之后，宣布研制成了InGaN藍光激光器，該激光器可在室溫下CW應用，其結構是在SiC襯底上生長的，并且采用了垂直傳導結構（P型和n型接觸分別制作在晶片的頂面和背面），這是首次報道的垂直器件結構的CW藍光激光器。在探測器方面，已研制出GaN紫外探測器，波長為369n

15、m，其響應速度與Si探測器不相上下。但這方面的研究還處于起步階段。GaN探測器將在火焰探測、導彈預警等方面有重要應用。五、GaN的應用前景對于GaN材料，長期以來由于襯底單晶沒有解決，異質外延缺陷密度相當高，但是器件水平已可實用化。1994年日亞化學所制成1200mcd的 LED，1995年又制成Zcd藍光（450nmLED），綠光12cd(520nmLED);日本1998年制定一個采用寬禁帶氮化物材料開發(fā)LED的 7年規(guī)劃，其目標是到2005年研制密封在熒光管內(nèi)、并能發(fā)出白色光的高能量紫外光LED，這種白色LED的功耗僅為白熾燈的1/8，是熒光燈的1/2, 其壽命是傳統(tǒng)熒光燈的50倍100倍。這證明GaN材料的研制工作已取相當成功，并進入了實用化階段。InGaN系合金的生成，InGaN/A