第一章 引言
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（几乎不被任何酸腐蚀）等性质和强的抗腐蚀能力，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有广阔的应用前景。 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（0.5或0.43）。在大气压力下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。它在一个元胞中有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。其化学稳定性和热稳定性尤其有利于制造高温器件。其物理特性，包括宽禁带、高击穿、高饱和速度等，更有利于制造微波功率器件。更值得一提的是，由于A1xGa1-xN，InxGa1-xN的禁带宽度可调，是可见光、紫外线光电子器件的理想选择，工艺技术上，成功地实现了传统的低压、原子层的CVD淀积和A1GaN/InGaN的掺杂，从而获得了高
旋转滑梯
质量GaN-A1GaN异质结和 A1GaN二维电子气，优良的二维电子气传输特性使其能够制造更加独特的光电子器件。
近年来，在材料生长方面的进展也很快，日本住友电气公司(SEI)已经首次生长2英寸单晶GaN衬底。同蓝宝石相比，GaN能导电，便于顶层和底层同时制作电极，节省面积;衬底和外延层的材料相同，易于解理衬底和外延层的位错少，可延长激光器的寿命。该公司计划2001年开始出售GaN材料，这种单晶的商品化不仅加快激光器的开发，而且也有利于GaN电子器件的开发。用于GaN器件的外延材料生长，经常采用MBE或者MOCVD技术。其外延材料结构大多属于六方或者立方型的晶体结构，前者生长在蓝宝石或者6H/4H SiC衬底上，当前，大多数器件采用此类衬底。 清水植物黑发>人脸识别考勤
由于GaN具有十分优良的材料性质，所以被广泛应用于光电子器件中，比如光电器件、激光器和探测器等，随着技术的发展，GaN的应用越来越广泛，它正以前所未有的速度影响着我们的日常生活。
第二章GaN的性质
GaN在一个无胞中有4个原子，原子体积大约为GaAs的一半。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。因其硬度高，又是一种良好的涂层保护材料。下面我们来瞭解下GaN的化学特性、电学特性和光学特性。
2.1 GaN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能较快的腐蚀质量差的的GaN，可用于这些质量不高的GaN晶体的缺陷检测，GaN在HCL或H2下，在高温下呈现不稳定特性，而在N2下最为稳定。
2.2 GaN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、<1016/cm3；等离子激活MBE的结果为8×103/cm3、<1017/cm3。
未掺杂载流子浓度可控制在1014～1020/cm3范围。另外，通过P型掺杂工艺和Mg的低能电子束辐照或热退火处理，已能将掺杂浓度控制在1011～1020/cm3范围。
2.3 GaN的光学特性
人们关注的GaN的特性，旨在它在蓝光和紫光发射器件上的应用。Maruska和Tietjen首先精确地测量了GaN直接隙能量为3.39eV。几个小组研究了GaN带隙与温度的依赖关系，Pankove等人估算了一个带隙温度系数的经验公式：dE/dT=－6.0×10－4eV/k。 Monemar测定了基本的带隙为3.503eV±0.0005eV，在1.6kT为Eg=3.503＋（5.08×10－4T2)/(T－996) eV。 它在光电子器件如蓝光、紫外、紫光等光发射二极体和镭射二极体方面有着重要的应用。作为第三代半导体材料的代表，氮化鎵(GaN)基材料可制成高效蓝、绿光发光二极体和镭射二极体LD(又称雷射器)，并可延伸到白光，将替代人类沿用至今的照明系统。氮化鎵(GaN)基材料奠定了解决白发光二极体的基础，并且氮化鎵蓝光led相关材料
及器件广泛应用于全大屏幕显示器，高亮度LED交通信号和指标灯，以氮化鎵为基础的高亮度半导体LED具有体积小、寿命长、功耗低等优点，并向着高亮度、全彩、大型化方向发展．
2.4GaN材料生长
GaN材料的生长是在高温下，通过TMGa分解出的Ga与NH3的化学反应实现的，其可逆的反应方程式为：
Ga＋NH3=GaN＋3/2H2
生长GaN需要一定的生长温度，且需要一定的NH3分压。人们通常采用的方法有常规MOCVD(包括APMOCVD、LPMOCVD)、等离子体增强MOCVD(PE—MOCVD)和电子回旋共振辅助MBE等。所需的温度和NH3分压依次减少。本工作采用的设备是AP—MOCVD，反应器为卧式，并经过特殊设计改装。用国产的高纯TMGa及NH3作为源程序材料，用DeZn作为P型掺杂源，用(0001)蓝宝石与(111)硅作为衬底采用高频感应加热，以低阻硅作为发热体，用高纯H2作为MO源的携带气体。用高纯N2作为生长区的调节。用HAL
L测量、双晶衍射以及室温PL光谱作为GaN的质量表征。要想生长出完美的GaN，存在两个关键性问题，一是如何能避免NH3和TMGa的强烈寄生反应，使两反应物比较完全地沉积于蓝宝石和Si衬底上，二是怎样生长完美的单晶。为了实现第一个目的，设计了多种气流模型和多种形式的反应器，最后终于摸索出独特的反应器结构，通过调节器TMGa管道与衬底的距离，在衬底上生长出了GaN。同时为了确保GaN的质量及重复性，采用硅基座作为加热体，防止了高温下NH3和石墨在高温下的剧烈反应。对于第二个问题，采用常规两步生长法，经过高温处理的蓝宝石材料，在550℃，首先生长250A0左右的GaN缓冲层，而后在1050℃生长完美的GaN单晶材料。对于 Si衬底上生长GaN单晶，首先在1150℃生长AlN缓冲层，而后生长GaN结晶。生长该材料的典型条件如下：
•NH3：3L/min
•TMGa：20μmol/minV/Ⅲ=6500
•N2：3～4L/min
•H2：2<1L/min
石棉密封垫
人们普遍采用Mg作为掺杂剂生长P型GaN，然而将材料生长完毕后要在800℃左右和在N2的气氛下进行高温退火，才能实现P型掺杂。本实验采用 Zn作掺杂剂，DeZ2n/TMGa=0.15，生长温度为950℃，将高温生长的GaN单晶随炉降温，Zn具有P型掺杂的能力，因此在本征浓度较低时，可望实现P型掺杂
但是，MOCVD使用的Ga源是TMGa，也有副反应物产生，对GaN膜生长有害，而且，高温下生长，虽然对膜生长有好处，但也容易造成扩散和多相膜的相分离。中村等人改进了MOCVD装置，他们首先使用了TWO—FLOWMOCVD(双束流MOCVD)技术，并应用此法作了大量的研究工作，取得成功。双束流MOCVD生长示意图如图1所示。反应器中由一个H2＋NH3＋TMGa组成的主气流，它以高速通过石英喷平行于衬底通入，另一路由H2＋N2 形成辅气流垂直喷向衬底表面，目的是改变主气流的方向，使反应剂与衬底表面很好接触。用这种方法直接在α—Al2O3基板(C面)生长的GaN膜，电子载流子浓度为1×1018/cm3，迁移率为200cm2/v•s，这是直接生长GaN膜的最好值。
第三章GaN光电子器件
用于制造短波长发光二极管(LED)和激光器的，III一V族材料具有极大的吸引力。超高亮度蓝光、绿光LED的商品化和第一只，III族氮化物激光器诞生后，更清楚地表明，该材料具有极大的应用潜力。还值得指出，这类器件能够开发的主要原因在于，人们成功地解决了三个关键技术。第一，采用缓冲层技术，即在蓝宝石衬底上，低温生长A1N或GaN层，获得高纯度的异质结;第二，摸清氢化物钝化机理，采用Mg作受主杂质，实现P型掺杂的GaN;第三，生长高质量的合金层Inx压力检测器Ga1-xN。
粉尘收集 GaN材料系列是一种理想的短波长发光器件材料，GaN及其合金的带隙复盖了从红到紫外的光谱范围。自从1991年日本研制出同质结GaN蓝 LED之后，InGaN/AlGaN双异质结超亮度蓝LED、InGaN单量子阱GaNLED相继问世。目前，Zcd和6cd单量子阱GaN蓝和绿 LED已进入大批量生产阶段，从而填补了市场上蓝LED多年的空白。以发光效率为标志的LED发展历程见图3。蓝发光器件在高密度光盘的信息存娶全光显示、激光打印机等领域有着巨大的应用市常随着对Ⅲ族氮化物材料和器件研究与开发工作的不断深入，GaInN超高度蓝光、绿光LED技术已经实现商品化，现在世界各大公司和研究机构都纷纷投入巨资加入到开发蓝光LED的竞争行列。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议