版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领
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
温馨提示
- 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
- 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
- 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
- 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
- 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
- 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
最新文档
- 西京学院《室内陈设设计》2022-2023学年第一学期期末试卷
- 音乐万马奔腾课件
- 西京学院《版面设计》2023-2024学年第一学期期末试卷
- 西华师范大学《小学语文课程与教学》2022-2023学年第一学期期末试卷
- 西华师范大学《水污染防治技术》2023-2024学年第一学期期末试卷
- 西华师范大学《摄影与摄像技艺》2021-2022学年第一学期期末试卷
- 9正确认识广告 说课稿-2024-2025学年道德与法治四年级上册统编版
- 电工高级工专项测试题及答案
- 第十二章第二节《滑轮》说课稿 -2023-2024学年人教版八年级物理下册
- 2024年代森锰锌行业前景分析:代森锰锌行业发展趋势推动行业国际化
- 建筑节能工程竣工验收报告3篇(施工单位节能验收报告)
- 内科学-骨髓增生异常综合征(MDS)
- 模板:三一集团企业介绍模板课件
- 老年助餐服务工作总结
- SYB(全)新版最新课件
- 医学研究中安全防护与相关法规叶索夫整理
- 日产新轩逸电子手册
- 中置柜安装作业指导书
- 低温余热回收利用及节能技术
- 腾讯广告数据系统架构介绍
- 四年级上册数学课件 - 第五单元 第6课时《认识梯形》 人教版(共12张PPT)
评论
0/150
提交评论