GaN半导体材料综述功能纳米材料

GaN 半导体材料综述课程名称:纳米功能材料与器件学生姓名:XX学 院:新材料技术研究院学 号:班 级:任课老师：顾有松评 分:2015-12目录1 前言GaN材料的性能研究2.1物理性质2.2化学性质2.3电学性质2.4光学性质GaN材料的制备33.1 金属有机化学气相外延技术(MOCVD)3.3 氢化物气相外延(H VPE).GaN材料的器件构建与性能.4.1GaN基发光二极管(LED)4.2GaN基激光二极管(LD).4.3GaN基电子器件4.4GaN基紫外光探测器.43.2 分子束外延(MBE)结论参考文献1 前言继硅（Si）引导的第一代半导体和砷化镓（GaAs）引导的第二代半导体后，以 碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AIN）为代表的第 三代半导体材料闪亮登场并已逐步发展壮大。作为第三代半导体的典型代表， GaN 材料是一种直接带隙以及宽带隙半导体材 料。室温下其禁带宽度为3.4eV，具有咼临界击穿电场、咼电子漂移速度、咼热导、 耐高温、抗腐蚀、抗辐射等优良特性，是制作短波长发光器件、光电探测器以及高 温、咼频、大功率电子器件的理想材料。随着纳米技术的发展， III 族氮化物一维纳 米结构在发光二极管、场效应晶体管以及太阳能电池领域都具有极大的潜在应用。 进入 20 世纪 90 年代以后，由于一些关键技术获得突破以及材料生长和器件工艺水 平的不断提高，使GaN材料研究空前活跃，GaN基器件发展十分迅速。基于具有优异 性质的纳米尺寸材料制造纳米器件是很有意义的， GaN 纳米结构特别是纳米线是满 足这种要求的一种很有希望的材料1。本论文主要介绍了 GaN 材料的性能研究、制备方法研究、器件构建与性能三个 方面的内容，并最后进行了总结性阐述，全面概括了 GaN材料的基本内容。2 GaN 材料的性能研究2.1 物理性质GaN是一种宽带隙半导体材料，在室温下其禁带宽度约为3.4 eV； Ga和N原子 之间很强的化学键，使其具有高达1700C的熔点；电子漂移饱和速度高，且掺杂浓 度对其影响不大；抗辐射、介电常数小、热产生率低和击穿电场咼等特点。通常情 况下 GaN 的晶体结构主要为六方纤锌矿结构和立方闪锌矿结构，前者为稳态结构， 后者为亚稳态结构，在极端高压情况下也会表现为立方熔盐矿结构2。目前各种器 件中使用到的都是六方GaN，其晶体结构如图2-1所示。图2-1 GaN方纤锌矿结构（a）黑色为Ga原子，灰色为N原子；（b）Ga和N原子的成键形式2.2 化学性质GaN 的化学性质非常稳定，在室温下它既不与水发生反应，也不和酸或碱发生 化学反应，但能缓慢地溶解在热的碱性溶液中。由于GaN的稳定性，对其表面进行 刻蚀是非常困难的。目前，在工业生产中主要采用等离子体刻蚀的方法对GaN的表 面进行处理2。2.3 电学性质电学性能是影响光电器件性能的主要因素。非故意掺杂的 GaN 一般为 n 型，其 载流子浓度约为1014cm31016cm3。如此高的本征载流子浓度曾一度限制了 GaN的 P型掺杂，给GaN器件的应用带来了困难。到1989年H. Ama no等人用电子束照射 的方式获得了 Mg掺杂的P型GaN,才使得GaN器件的应用有了很大的发展。另外， GaN 材料具有较高的电子迁移率，适度掺杂的 AlGaN/GaN 结构电子迁移率更高，而 且还具有高的电子漂移速度和较低的介电常数，是制作高频微波器件的重要材料。 2.4 光学性质GaN为直接宽带隙半导体材料，在室温下其发光波长为365 nm,位于蓝光波段。InN的禁带宽度为0.77 eV, GaN的禁带宽度为3.43 eV, AIN的禁带宽度为6.2 eV, 通过在 GaN 中掺入不同组分的 In 和 Al， GaN 基材料的禁带宽度可以实现从 0.77eV 到6.2 eV的连续变化，其发光波长实现200 nm656nm的连续变化，覆盖了整个可 见光区和近紫外光区,所以,非常适合制作各种发光器件,有可能成为太阳能光伏 产业的重要材料。3 GaN 材料的制备要研发与制备高质量、高性能的 InGaN/GaN 器件,首先就要制备出高质量的 GaN 材料。GaN在高温下分解为Ga和N2，常压下无法融化，只有在2200C以上，6GPa 以上的N2压力下才能使GaN融化，所以传统直拉法和布里奇曼法都不能用来生长 GaN 单晶3。至今， GaN 材料的获得仍然以异质外延技术生长为主，即通过在其它 晶体衬底上实现。近年来，又有出现了一些较为简单的方法，包括磁控溅射、溶胶 一凝胶、脉冲激光沉积和电泳沉积等。在GaN材料的外延生长方面，应用最广泛的 外延生长技术主要有：金属有机化学气相外延技术(MOCVD)、分子束外延(MBE)、氢 化物气相外延(HVPE)【4】。下面对这三种生长技术作简要概述。3.1金属有机化学气相外延技术(MOCVD)金属有机化学气相外延又称为金属有机气相外延(MOVPE),是一种利用有机金属 热分解反应进行气相外延生长薄膜的化学气相沉积技术，是在薄膜生长的众多技术 中最经常运用的技术之一，是目前生长III族氮化物多层结构最主流的方法，也是目 前唯一能制备出高亮度氮化物发光二极管并用于规模化商业生产的生长技术。该方法以三甲基镓(TMGa)为有机镓源，氨气为氮源并以H2和N2或者这种两种 气体的混合气体为载体，将反应物载入反应腔并在一定温度下发生反应，生成相应 薄膜材料的分子团，在衬底表面上吸附、成核、生长，最后形成所需的外延层。此 外，该沉积系统不需要超高真空，反应室可以扩展且设备维护简单，己被广泛应用 于大面积、多片GaN外延片的工业生产中。MOCVD 法外延 GaN 的技术已经被广泛应用并部分实现产业化，但是仍存在一 些制约因。首先， MOCVD 设备本身价格非常昂贵，生产所使用的原料价格也非常昂 贵且毒性大；其次，同HVPE 样需要较高温度使氨气发生解离，这就容易引起薄膜 出现氮空位、碳污染以及内应力，从而影响薄膜的质量5。3.2分子束外延(MBE)分子束外延(MBE)是一种实验室常用的生长III族氮化物的传统方法，但其发展 远落后于MOCVD技术，目前还处于发展的前期阶段。图3-1为MBE生长的简单示 意图6。在高真空环境中反应物以分子束或者原子束的形式直接射到衬底上，经过 氮化反应，生长具有一定趋向性的 GaN 薄膜。目前，采用 MBE 技术生长 GaN 材料 主要有两种方法，其一为气源分子束外延(GSMBE)，以单质金属Ga为Ga源，NH3 为N源，在衬底表面发生化学反应形成GaN。这种方法的优点是生长温度较低，但 较低的温度同样也会带来不利的影响，NH3的分解率很低导致与Ga源的反应速率很 慢，产物内部分子移动性较差，晶体薄膜的质量不好。其二是金属有机分子束外延 (MOMBE)，以三甲基镓为Ga源以等离子体或离子源产生的N束流为N源，在衬底 上形成GaN。这种方法解决了在低温条件下NH3的分解率低的问题，获得的GaN薄 膜的晶体质量较好。图 3-1 MBE 系统示意图6MBE与MOCVD相比，它可以在较低温度下(500C-800C)实现GaN的生长，因 此可以选用容易产生热损伤的材料如GaAs、 YLiAIO2等作为衬底材料，但由于其生 长速率低并且需要极高的真空度，因此不适合应用于工业生产。3.3氢化物气相外延(HVPE)最早被用来进行GaN外延生长的技术是氢化物气相外延(HVPE)技术。在氢化物 气相外延技术中，III族源材料使用金属镓，V族源材料使用NH3,载气使用氮气， 反应气体是HCl。反应气体和金属镓反应生成GaCl或GaCl3，GaCI与NH3反应生成 GaN然后沉积在衬底上。图3-2为HVPE生长的简单示意图。HVPE技术的特点是外 延生长速度非常快，薄膜的厚度非常难以精确控制，同时反应后生成的尾气会腐蚀 设备,所以该方法比较难以获得高质量的GaN薄膜。经过许多年的研究，人们对HVPE 技术进行不断的改进并取得了一定的效果7。图 3-2 HVPE 系统示意图HVPE 技术的优势是设备简单,成本低,生长速率快,可以达到几百微米每小时； 利用该方法也能够较容易的实现P型掺杂和n型掺杂；HVPE技术还可以用来生长高 质量GaN基激光器材料的同质衬底。但HVPE技术生长异质结构材料比较困难，因 此发展比较缓慢。4 GaN 材料的器件构建与性能GaN 材料既具有 GaAs、InP 等材料的高频率特性，又具有 SiC 的高击穿电压特性， 在兼顾器件的频率和功率方面，优于其他材料，应用前景更好。开发 GaN 器件的主 要方向是微波器件，如发光二极管、激光器和紫外探测器等8。另外，良好的衬底 绝缘性能和散热性能，有利于制作高温、大功率器件。目前已经成功开发了 GaN 基 MESFET、HEMT、HBT 和 MOFET 等器件【9】。4.1 GaN基发光二极管(LED)由于LED显色性好、体积小、寿命长、响应速度快和高效节能等优点，己广泛 应用在光显示、交通信号灯、照明等领域，被称为新一代“绿色光源”。随着LED应 用的越来越广泛，光显示领域要求其有更好的显色性能，照明领域需要其具有更高 的转换效率，极端恶劣环境中的应用要求其具有较好的稳定性等。 GaN 作为直接跃 迁型半导体材料，具有禁带宽度大、电子饱和速率高、击穿电场高、热导率高以及 物理化学性质稳定等优点，被认为是制作LED器件的最佳材料。IMS Research预测 分析，在LED电视、显示屏和普通照明领域，GaN (蓝/绿)LED的市场份额将快速 增长。图4-1 GaN多量子阱蓝色发光二极管结构示意图图4-1为GaN多量子阱蓝色发光二极管结构示意图。为了提高LED的发光效率 和纯度，目前人们主要采用多量子阱结构作为发光区。2009年Q.Dail*】等人采用 InGaN/GaN多量子阱结构的LED，其位错密度只有5.3X108cm-2,内量子效率高达64%。 目前商业生产中的 LED 均采用多量子阱结构。随着 LED 技术的不断发展和各国政策 的大力支持，LED将会有巨大的市场前景。4.2 GaN基激光二极管(LD)在研究更高效GaN基蓝、绿光LED的同时，蓝光LD器件的开发也成为研究的 重点，在信息的高密度光存储领域的应用较其它的激光器有着明显的优势，其存储 密度能够达到1Gbs/cm2。日本Nichia公司在1996年先后实现了在室温条件下电注 入GaN基LD脉冲和连续工作；Cree-Research公司最先实现了 SiC上横向器件结构的 蓝光激光器;富士通在此基础上成功研制了可在室温下连续激射的InGaN蓝光LD，为 GaN基蓝光LD的大规模应用提供了有力的技术支持。GaN基蓝光LD的开发，使激 光点径缩小40%左右，提高存储容量至少4倍以上。由于蓝光LD的市场潜力极大， 许多大公司和研究机构都纷纷加入到开发GaN蓝光LD的行列中。此外，蓝光LD在 水下光通信、探测器、激光打印、材料加工和环境污染监控等领域同样具有广阔的 应用前景。4.3 GaN基电子器件GaN 具有热导率高、击穿电场高、载流子浓度高等优良性能，可以被用来制作 微波高频器件及大功率高温电子器件。同GaAs器件相比，GaN的功率密度是其10 倍。目前，随着MBE、MOCVD等外延技术的发展，通过生长多种GaN异质结构己 成功开发 GaN 基 MESFET、 MODFET、 HFET 等场效应晶体管，在航空、石油勘探、自 动化、通信等领域必将发挥着不可或缺的重要作用。4.4 GaN基紫外光探测器与SiC、金刚石等半导体材料相比，GaN应用于紫外光探测器有诸多优势，如较 高的量子效率、信号陡峭、噪声低、边带可调等优势，从而可以很好的提高紫外光 探测的灵敏度；GaN作为直接带隙可调的III族氮化物，在365 nm紫外光波段有很 敏锐的截止响应特征，在制作器件时可以降低对滤波器的要求;同时GaN基紫外光探 测器在200-400 nm的波段能够实现对太阳盲区的紫外光探测，并且不受长波辐射的 影响。因此GaN基紫外光探测器被广泛应用于空间通讯、臭氧监测、水银灯消毒监 控、污染监测、激光探测器和火焰传感等方面。5 结论本文对GaN材料进行了系统的介绍，对GaN材料的有了进一步的认识与了解。 GaN材料的制备方法是丰富多样的，每种方法都有各自的优点和局限。GaN具有非 常稳定的物理性质和化学性质，其良好的电学性质使得它非常适合制作各种发光器 件，有可能成为太阳能光伏产业的重要材料。它因其光学特性而被广泛的用来制作 发光二极管(LED)和激光二极管(LD)。在器件方面，还有GaN基电子器件、GaN基紫 外光探测器等。总之，随着计算材料科学的不断完善和实验技术的不断改进， GaN 材料的研究必将取得更大的突破，在照明、显示、光探测、信息存储、航空航天等 诸多领域的应用将会更加广泛。参考文献1 冯庆.GaN纳米线的制备及特性研究D.西安电子科技大学,2013.2 翟化松.GaN及其掺杂材料的合成与性能研究D.太原理工大学,2014.任孟德，秦建新，王金亮，等.GaN材料的应用及研究进展J.超硬材料工程,2013, 25(04):34-38. 蒋永志.GaN基蓝光LED的光学特性研究D.山东大学,2012. 张冠英，梅俊平，解新建.MOCVD外延生长GaN材料的技术进展J.半导体技术, 2010, 35(03):201-204. 相崎尚昭，吴明华.分子束外延装置J.微细加工技术,1990, (1):56-62.7 Moon J Y, Kwon H Y, Shin M J, et al. 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