异质结原理与器件小论文讲解

1、异质结原理与器件小论文（小组） 题目：GaN第三代半导体的新势力队长：刘 敏 物理1001成员：马丹丹 光信1001李秋虹 光信1002目录选题背景 3一、GaN材料的发展概述4二、 GaN材料的特性42.1化学特性62.2结构特性62.3电学特性72.4光学特性7三、GaN材料的应用83.1新型电子器件83.2光电器件8四、GaN的优缺点104.1GaN材料的缺点104.2GaN材料的优点11五、总结12六、参考文献13七、异质结小组分工及时间安排13GaN第三代半导体的新势力选题背景：自20世纪60年代，发光二极管(Light Emitting Diode，LED)的发展非常迅速，它具有体

2、积小、耐冲击、寿命长、可靠度高与低电压低电流操作等优良的特性，适用于在各种环境的使用，而且符合未来环保节能的社会发展趋势。初期的以砷化镓(GaAs)、铝铟磷镓(AIGalnP)材料为基础之发光二极管，实现了红光至黄绿光波段的电激发光。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）等性质和强的抗辐照能力，在光电子、高温大功率器件和

3、高频微波器件应用方面有着广阔的前景。关键词：氮化镓 半导体材料 特性 应用一、 GaN材料的发展概述GaN是由Johnson等人于1928年合成的一种-族化合物半导体材料，由于晶体获得的困难，所以对它的研究未得到很好的进展。在60年代，用-族化合物材料GaAs制成激光器之后，才又对GaN的研究产生兴趣。1969年，Maruska和Tietjen成功制备出了单晶GaN晶体薄膜，给这种材料带来了新的希望。但在此后很长时期内，GaN材料由于受到没有合适的衬底材料、n型本底浓度太高和无法实现p型掺杂等问题的困扰，进展十分缓慢。进入90年代以来，由于缓冲层技术的采用和p型掺杂技术的突破，对GaN的研究热

4、潮在全世界蓬勃发展起来，并且取得了辉煌的成绩。二、GaN材料的特性族氮化物，主要包括GaN、AN、InN（Eg1018/cm3）的n型本底载流子浓度，现较好的GaN样品的n型本底载流子浓度可以降到1016/cm3左右。由于n型本底载流子浓度较高，制备p型GaN样品的技术难题曾一度限制了GaN器件的发展。随着技术的发展，目前已经可以制备载流子浓度在10111020/ cm3的p型GaN材料。在GaN材料体系中，GaInN的使用最为广泛，这是因为GaInN为直接带隙材料，通过改变In组分，可以调整发光波长，发光范围基本可以覆盖整个可见光光谱，另外GaInN的电子迁移率较高，适合制作高频电子器件，但

5、在In组分较大时，GaInN同GaN或AN的晶格失配较大，材料生长较为困难。接下来我们将详细阐述GaN材料的基本特性。2.1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。GaN具有高的电离度，在-族化合物中是最高的（0.43或0.5）。NaOH、H2SO4和H3PO4能较快地腐蚀质量差的GaN，可用于这些质量不高的GaN晶体的缺陷检测。GaN在HCL或H2气下，在高温下呈现不稳定特性，而在N2气下最为稳定。 2.2结构特性下表列出了GaN纤锌矿和闪锌矿结构的重要物理参数。 在很高压强下，GaN、AN、InN能生成岩盐结构。纤锌矿结构是六方柱体原胞，因此有2个晶

6、格常数a和c。纤锌矿结构由各自包含一种原子的两个密排六方晶格，沿c轴方向相对位移3c/8套构而成。闪锌矿结构由包含4个族原子和4个族原子的立方原胞构成，它是由两个面心立方晶体，沿对角线方向相对位移a/4套构而成的。闪锌矿结构和纤锌矿结构从电子结构上看是相关的，两种结构的主要差别在于密排原子表面的堆积顺序不同，闪锌矿结构晶格原子的堆叠是ABCABCABC,而纤锌矿的堆叠顺序是ABABAB。2.3电学特性GaN的电学特性是影响器件的主要因素。未掺杂的GaN在各种情况下都呈n型,最好的样品的电子浓度约为41016/cm3。一般情况下所制备的P型样品，都是高补偿的。 GaN最高迁移率数据在室温和液氮温

7、度下分别为n=600cm2/vs和n= 1500cm2/vs，相应的载流子浓度为n=41016/cm3和n=81015/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8103/cm3、300 cm2/ V.s 的n型GaN），但p型掺杂水平太低（主要是掺Mg），所得空穴浓度只有10171018/cm3，迁移率10cm2/V.s，掺杂效率只有0.1%1%（可能是H的补偿和Mg的自身电离能较高所致）。 4.2GaN材料的优点禁带宽度大（3.4eV），热导率高（1.3W/cm-K），则工作温度高，击穿电压高，抗辐射能力强； 导

8、带底在点，而且与导带的其他能谷之间能量差大，则不易产生谷间散射，从而能得到很高的强场漂移速度（电子漂移速度不易饱和）； GaN易与AlN、InN等构成混晶，能制成各种异质结构，已经得到了低温下迁移率达到105cm2/Vs的2-DEG（因为2-DEG面密度较高，有效地屏蔽了光学声子散射、电离杂质散射和压电散射等因素）； 晶格对称性比较低（为六方纤锌矿结构或四方亚稳的闪锌矿结构），具有很强的压电性（非中心对称所致）和铁电性（沿六方c轴自发极化）：在异质结界面附近产生很强的压电极化（极化电场达2MV/cm）和自发极化（极化电场达3MV/cm），感生出极高密度的界面电荷，强烈调制了异质结的能带结构，加

9、强了对2-DEG的二维空间限制，从而提高了2-DEG的面密度（在AlGaN/GaN异质结中可达到1013/cm2，这比AlGaAs/GaAs异质结中的高一个数量级），这对器件工作很有意义。 总之，从整体来看，GaN的优点弥补了其缺点，特别是通过异质结的作用，其有效输运性能并不亚于GaAs，而制作微波功率器件的效果（微波输出功率密度上）还往往要远优于现有的一切半导体材料。五、总结在GaN基三族氮化物材料研究上的成就是非常鼓舞人心的。在光电子器件突破的同时，GaN高温半导体电子器件也相继大力开发。但由于大块体单晶生长没有解决，导致许多GaN物理特性的解释不成熟，制约了器件研究的进一步发展。 就目前

10、来讲，一些基础性的研究工作，如GaN的能带结构、膜层生长动力学、表面形貌与表面再构、电子输运特性、杂质掺杂控制、杂质缺陷机理及相互作用等，虽然取得了良好进展，但仍需进一步的加强研究。而且现在已经到了花大力气解决GaN 体单晶材料生长的时候了。总之，具有不同色彩和极窄带宽的高亮度LEDs、具有长寿命的蓝光LDs、光电导uv探测器也已发展和商业化，与传统的探测器相比，这些探测器显示出更高的响应特性，且具有更好调整的截止波长；GaN基MESFET、HBT和MODFET(HEMT)等器件已被成功制备出，高频MISFET器件已被制成并且一种电子级的AIN/Si界面已被证实可行，这表明了三族氮化物和硅复合

11、集成的可行性。尽管还有诸多问题和工艺技术有待解决，但GaN基材料和器件在光电子和微电子技术领域应用的日益广泛，将会是毫无疑问的事情。、六、参考文献1、 潘孝军，张振兴等，测设制备非晶氮化镓薄膜的光学性能，半导体学报，2007年第22卷第4期；2、 蒋荣华，肖顺珍等，GaN基材料的特性及光电器件的应用，世界有色金属，2003年2：35-39；3、 梁春广等，GaN 第三代半导体的曙光，半导体学报，1999 年第20卷第2期；4、 焦刚等AlGaN/GaN异质结构欧姆接触的研制固体电子学研究与进展2004年第24卷第1期；5、 童寒轩，胡慧明，氮化镓的合成制备及前景分析，辽宁化工2011年第40卷第11期。七、异质结小组分工及时间安排题目：GaN第三