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文档简介

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(Eg<2.3V)、GaInN和AlGaInN等,其禁带宽度覆盖了红、黄、绿、蓝、紫和紫外光谱范围。族氮化物有三种晶体结构,即纤锌矿、闪锌矿和岩盐结构,三种结构的主要差别在于原子层的堆积次序不同,因而电学性质也有显著差别。GaN是族氮化物中的基本材料,也是目前研究最多的族氮化物材料。GaN材料硬度高,化学性质非常稳定。GaN的电学性质是决定器件性能的主要因素,电子室温迁移率目前可以达到9002/(Vs)。在蓝宝石衬底上生长的未参杂的GaN样品存在较高(>1018/cm3)的n型本

5、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

6、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

7、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4×1016/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度下分别为n=600cm2/vs和n= 1500cm2/vs,相应的载流子浓度为n=4×1016/cm3和n=8&

8、#215;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10141020/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10111020/cm3范围。 24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。氮化镓晶体管是直接带隙半导体材料,在室温下有很宽的带隙(3.39eV)。它在光电子器件如蓝光、紫外、紫光等光发射二极管和激光二极管方面有着重要的应

9、用。作为第三代半导体材料的代表,氮化镓(GaN)基材料可制成高效蓝、绿光发光二极管和激光二极管LD(又称激光器),并可延伸到白光,将替代人类沿用至今的照明系统。氮化镓(GaN)基材料奠定了解决白色发光二极管的基础,并且氮化镓蓝光LED相关材料及器件广泛应用于全色大屏幕显示器,高亮度LED交通信号和指针灯,以氮化镓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、全彩色、大型化方向发展。三、GaN材料的应用3.1新型电子器件GaN材料系列具有低的热产生率和高的击穿电场,是研制高温大功率电子器件和高频微波器件的重要材料。目前,随着 MBE技术在GaN材料应用中的进展和关键薄

10、膜生长技术的突破,成功地生长出了GaN多种异质结构。用GaN材料制备出了金属场效应晶体管(MESFET)、异质结场效应晶体管(HFET)、调制掺杂场效应晶体管(MODFET)等新型器件。调制掺杂的AlGaN/GaN结构具有高的电子迁移率(2000cm2/vs)、高的饱和速度(1×107cm/s)、较低的介电常数,是制作微波器件的优先材料;GaN较宽的禁带宽度(3.4eV) 及蓝宝石等材料作衬底,散热性能好,有利于器件在大功率条件下工作。 3.2光电器件 GaN材料系列是一种理想的短波长发光器件材料,在前面提及的GaN材料的特性描述中我们知道GaN及其合金的带隙覆盖了从红色到紫外的光谱

11、范围。自从1991年日本研制出同质结GaN蓝色 LED之后,InGaN/AlGaN双异质结超亮度蓝色LED、InGaN单量子阱GaNLED相继问世。目前,Zcd和6cd单量子阱GaN蓝色和绿色 LED已进入大批量生产阶段,从而填补了市场上蓝色LED多年的空白。蓝色发光器件在高密度光盘的信息存取、全光显示、激光打印机等领域有着巨大的应用市场。随着对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。 1993年,Nichia公司首先研制成发光亮度超过lcd的高亮度GaInN/AlG

12、aN异质结蓝光LED,使用掺Zn的GaInN作为有源层,外量子效率达到2.7%,峰值波长450nm,并实现产品的商品化。1995年,该公司又推出了光输出功率为2.0mW,亮度为6cd商品化GaN绿光 LED产品,其峰值波长为525nm,半峰宽为40nm。最近,该公司利用其蓝光LED和磷光技术,又推出了白光固体发光器件产品,其色温为6500K,效率达7.5流明/W。除Nichia公司以外,HP、Cree等公司相继推出了各自的高亮度蓝光LED产品。高亮度LED的市场已从1998年的 3.86亿美元跃升为2003年的10亿美元。高亮度LED的应用主要包括汽车照明,交通信号和室外路标,平板金色显示,高

13、密度DVD存储,蓝绿光对潜通信等。 在成功开发族氮化物蓝光LED之后,研究的重点开始转向族氮化物蓝光LED器件的开发。蓝光LED在光控测和信息的高密度光存储等领域具有广阔的应用前景。目前Nichia公司在GaN蓝光LED领域居世界领先地位,其GaN蓝光LED室温下2mW连续工作的寿命突破10000小时。HP公司以蓝宝石为衬底,研制成功光脊波导折射率导引GaInN/AlGaN多量子阱蓝光LED.cree公式和Fujitsu公司采用SiC作为衬底材料,开发 族氮化物蓝光LED,CreeResearch公司首家报道了SiC上制作的CWRT蓝光激光器。富士通继Nichia,CreeResearch和索

14、尼等公司之后,宣布研制成了InGaN蓝光激光器,该激光器可在室温下CW应用,其结构是在SiC衬底上生长的,并且采用了垂直传导结构(P型和n型接触分别制作在晶片的顶面和背面),这是首次报道的垂直器件结构的CW蓝光激光器。 在探测器方面,已研制出GaN紫外探测器,波长为369nm,其响应速度与Si探测器不相上下。但这方面的研究还处于起步阶段。GaN探测器将在火焰探测、导弹预警等方面有重要应用。四、GaN的优缺点因为GaN是宽禁带半导体,极性太大,则较难以通过高掺杂来获得较好的金属-半导体的欧姆接触,这是GaN器件制造中的一个难题,故GaN器件性能的好坏往往与欧姆接触的制作结果有关。现在比较好的一种

15、解决办法就是采用异质结,首先让禁带宽度逐渐过渡到较小一些,然后再采用高掺杂来实现欧姆接触,但这种工艺较复杂。总之,欧姆接触是GaN器件制造中需要很好解决的一个主要问题。4.1GaN材料的缺点一方面,在理论上由于其能带结构的关系,其中载流子的有效质量较大,输运性质较差,则低电场迁移率低,高频性能差。另一方面,现在用异质外延(以蓝宝石和SiC作为衬底)技术生长出的GaN单晶,还不太令人满意(这有碍于GaN器件的发展),例如位错密度达到了1081010/cm2(虽然蓝宝石和SiC与GaN的晶体结构相似,但仍然有比较大的晶格失配和热失配);未掺杂GaN的室温背景载流子(电子)浓度高达1017cm-3(

16、可能与N空位、替位式Si、替位式O等有关),并呈现出n型导电;虽然容易实现n型掺杂(掺Si可得到电子浓度10151020/cm3、室温迁移率>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

17、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101

18、3/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

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