材料物理报告

GaN—第三代半导体的曙光报告人：徐珲组员：吴西士顾文魏绍娟目录研究背景1GaN结构和性能2GaN制备方法3GaN应用4结论与展望5研究背景半导体材料第三代：以GaN、SiC为代表的宽带隙

化合物

第二代：以GaAs、InP为代表的化合物第一代：以Si、Ge为代表以硅和锗为代表的第一代半导体材料的研究已经非常完善，并且应用广泛，硅材料是电子信息产业中最主要的材料，但其带隙较窄，而且是间接带隙半导体，发光效率比较低，制约了其在光电子和高频率、大功率器件等领域的应用。作为第二代半导体材料代表的GaAs、InP，带隙和能带结构都比第一代半导体材料更有优势，目前主要应用在要求高速和高发光效率的光电子领域等。为了制造更大功率的发光器件，实现三原色所必需的蓝色和高密度的存储设备，人们越来越关注禁带宽度大，直接带隙的材料，这就是第三代半导体材料。研究背景同第一代、第二代半导体材料相比，它具有禁带宽度大、电子迁移率大、抗高温、抗辐射等特点，非常适合制作高温、高频和大功率电子器件以及蓝绿光、紫外光发光器件和光探测器件等。研究背景氮化镓砷化镓硅应用于光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用到于光纤通讯，主要解决数据传输的问题主要解决数据运算、存储的问题研究背景WOS核心合集中关于GaN材料的文章发表情况关于GaN材料排名前十的国家情况研究背景GaN结构和性能GaN基本结构

GaN可以结晶形成三种晶体结构：纤锌矿(六方相)结构、闪锌矿(立方相)结构和岩盐(NaCl结构)结构，如图2-1所示。在大气压力下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。图2-1GaN材料的三种基本结构光学性质GaN基材料属于Ⅲ/Ⅴ族半导体，是继Si基半导体和GaAs、InP基半导体之后的新一代宽禁带半导体材料。GaN基材料属于直接带隙半导体材料，因此非常适合制作发光器件。OECEV能量OECEV能量能量动量能量动量直接带隙情况间接带隙情况GaN结构和性能光学性质材料禁带宽度与发光波长的对应关系人们关注的GaN的特性，旨在它在蓝光和紫光的应用。Maruska和Tietjen首先精确地测量了GaN直接隙能量为3.39eV。另外，GaN与其同系的AlN、InN的禁带宽度分别为3.4eV、6.2eV和0.7eV。在GaN材料中掺入Al、In组成的三元或者四元半导体材料应用于发光材料与器件，其发光波长范围可以从远红外线一直覆盖到紫光，甚至是深紫外波段。当前的大部分研究中一般使用InGaN材料作为有源区来发射蓝绿光，并且取得了很高的发光效率。而AlGaN材料在深紫外波段方面的应用也表现出很大的优势和潜质。电学性质未有意掺杂的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。GaN具有很高的电子饱和漂移速度。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。GaN击穿电场比其它半导体材料高，可在更高的偏置电压下工作，能满足高功率的工作要求。高频特性，可以达到300GHz（硅为10G，GaAs为80G），大功率器件GaN结构和性能GaN制备方法GaN和GaN基半导体材料已经成为了世界各国研究的热点。GaN的合成与制备方法是目前GaN的主要研究对象之一，单晶氮化镓薄膜和纳米氮化镓的合成方法是研究的重中之重。

20世纪30年代Johnson等就采用金属稼(Ga)和氨气(NH3)反应得到了GaN小晶粒和粉末。

最早出现的是氢化物气相外延(HVPE)，随后是金属有机气相沉积(MOCVD)和分子束外延(MBE)。衬底的选择：不同的衬底会影响GaN外延层的晶体结构和光学性能[1]，目前，使用蓝宝石衬底较多[2]，同时也有Si、SiC、

Al2O3和LiAlO2衬底等。[1]H.M.Kim,T.W.Kang,J.E.Oh.ComparisonofHVPEGaNfilmsandsubstratesgrownonsapphireandonMOCVDGaNepi-layer[J],MaterialsLetters,2000,46:286–290[2]H.Asahi,H.Tampo,H.Hiroki.GassourceMBEgrowthofGaN-relatednovelsemiconductors[J],MaterialsScienceandEngineering,2000,B75:199–203.GaN制备方法卤化物汽相外延(HVPE)1967年Maruska和Tietjen在世界上第一次用HVPE技术在蓝宝石衬底上制备出大面积的GaN外延层。贾婷婷，林辉，周圣明等．异质衬底上HVPE法生长GaN厚膜的研究进展［J］，人工晶体学报，2009，38(2)：501-505．

采取HVPE法可在30×30mm2的GaN衬底上生产出400-450μm的GaN晶圆，用机械分离的技术即可剥离。HVPE法易实现P型和n型掺杂，与MBE和MOCVD相比生产成本低，但由于其生长速率快将导致薄膜厚度难控，因而只适合作为MBE和MOCVD的辅助方法。金属有机化学气相沉积(MOCVD)

以III族、II族元素的有机化合物和V族、VI族元素的氢化物作为晶体生长源材料，以热分解方式在衬底上进行气相外延。MOCVD过程中，改变温度等参数，会使制得的LED的发射光主峰位置发生移动。优点：（1）精确控制气体流量来控制外延层组分、导电类型、载流

子浓度、厚度等；（2）气体流速快，切换迅速，使杂质分布陡峭；（3）可以同时生长多片(目前最多可以同时生长55片2英寸)，

产量高；（4）原位监控系统可以实时了解生长情况。分子束外延(MBE)在超高真空腔内，源材料通过高温蒸发、辉光放电离子化、气体裂解，电子束加热蒸发等方法，产生分子束流。入射分子束与衬底交换能量后，经表面吸附、迁移、成核、生长成膜。监控设备可对表面凹凸、起伏、原子覆盖度、黏附系数、蒸发系数及表面扩散距离等生长细节进行精确监控。[1]MaheshKumara，AppliedSurfaceScience,2011,257:2107-2110.优点：MBE技术具有生长温度低，不需要任何后处理即可得到p型GaN。缺点：尚处于发展的早期阶段，有许多问题有待研究。主攻方向为降低背景电子浓度、提高材料的光电质量等。其他方法虽然以上三种技术日渐成熟，人们也通过改变衬底，增加多缓冲层等方法对工艺进行改善，但缺乏合适的衬底，晶格失配、热失配等问题仍制约着GaN材料的制备。运用选择性生长技术，即侧向外延过生长技术简称ELOG或ELO生长GaN外延层的方法，位错密度可降低至约104cm-2，还存在窗口区位错密度高、晶向倾斜、低角度晶界等问题，但在当前尚无GaN衬底情况下是非常有用的。光电器件

发光二极管(LED)

激光二极管(LD)

紫外探测器

电子器件异质结双极晶体管(HBT)异质结场效应晶体管(HFET)GaN应用光电器件光电导器件利用半导体光敏特性工作的光电导器件，利用半导体光生伏特效应工作的光电池和半导体发光器件等统称为光电器件。半导体材料的电导率是由载流子浓度决定的。载流子就是由半导体原子逸出来的电子及其留下的空位-----空穴。电子从原子中逃逸出来，必须克服原子的束缚力而做功，而光照正是向电子提供能量，使它有能力逃逸出来的一种形式。因此，光照可以改变载流子的浓度，从而改变半导体的电导率。电子器件电子器件，在真空、气体或固体中，利用和控制电子运动规律而制成的器件。在模拟电路中作整流、放大、调制、振荡、变频、锁相、控制、相关等用；在数字电路中作采样、限幅、逻辑、存储、计数、延迟等用。固态电子器件如集成电路。2014诺贝尔物理学奖获奖名单：日本及美国三位科学家IsamuAkasaki赤崎勇、

HiroshiAmano天野浩、ShujiNakamura中村修二获奖理由：发明了高效蓝光二极管，带来了明亮而节能的白色

光源。有了红、绿、蓝三原色后，才能产生照亮世界的白色光源。蓝色发光二极管的制备技术困扰了人类30多年。LED照明显示产业的瓶颈:缺少蓝光！！！发光波长(nm)=1240/禁带宽度(eV)因此，要实现波长为460nm的蓝色发光需要禁带宽度为2.7eV以上的宽禁带半导体，比如GaN。1.基于GaN的高亮度蓝光LED1988年，赤崎勇和天野浩

应用低能电子束照射Mg掺杂GaN，被照射区变成了P-GaN，诞生了第一个PN结GaN。随后，中村修二也研制出了蓝色发光二极管，并且他发明的技术更简单，成本也更低。

1993年，Nichia公司首先研制成发光亮度超过lcd的高亮度GaInN/AlGaN异质结蓝光LED，并实现产品的商品化。

基于GaN的高亮度蓝光LED将实现LED照明，广泛应用于指示灯、灯饰、手电筒等普通照明领域。随着高亮度白光LED技术的成熟和成本下降，将应用于手机及手提电脑背光源、交通信号灯、户外全彩显示屏等市场。

RedLEDGreenLEDBlueLEDBlueLEDBlueLED单一LED芯片+荧光粉(光转换材料）2.白光LED照明实现方式3.蓝光激光器BLD第一个氮化镓基材料激光二极管是1995年12月研制成的电脉冲GaN-InGaN多量子阱(MQW)激光二极管(LD)。到1997年底时，Nakamura等报道了寿命估计达10000h的蓝光半导体激光器。

蓝光激光器BLD器件CD、DVD的光存储密度与作为读写器件的半导体激光器的波长的平方成反比。若采用蓝光激光器取代现有的红光激光器，光盘的存储容量将大幅提高。如果激光打印机采用氮化镓基蓝色激光器，其分辨率可以从现在标准的600dpi提高到1200dpi。可用于军事领域，450～550nm的蓝-绿光波段对海水是透光的，所以BLD可通过空间卫星、机载平台直接用来对海底潜艇通信，大大提高潜艇的隐蔽性和保密性。这是军事部门长久渴望实现的技术手段。索尼全球首台蓝光DVD刻录机BDZ-S7

AlGaNYoshidaH.etal.NaturePhotonics.2008,2(9):551-554.2008年，YoshidaH等采用AlGaN的多量子阱结构制备得到了紫外光的激光器KneisslM,YangZH,TeepeM,etal.JOURNALOFAPPLIEDPHYSICS.2007,101(12310312).

InAlGaN2007年，Kneissl等采用InGaN的多量子阱结构制备得到了紫外光的激光器4.紫外激光器5.GaN基紫外探测器GaN有着直接宽带隙(Eg~3.4eV)，由其制作的紫外光探测器对波长大于365nm的光波是没有响应的，而对于波长比365nm短的紫外光却有很大的响应。这个特点对于在可见和红外光的背景中有效的探测出紫外辐射非常有利。

氮化镓基紫外光探测器广泛应用在臭氧检测、激光探测器、火焰传感、定位焊接等很多方面。“微型哨兵”随身监测紫外线上海科学家成功研发氮化镓紫外探测器6.GaN基HBTGaN的优异性能使其器件在高频、高速方面的应用有很大的潜力，可以在高温、高压下工作，且具备高功率输出的能力。可以用于微波器件、商用的移动通讯基站和卫星通讯、军用的相阵雷达系统等电子器件。Pankove等人在1994年报道了第一个GaN/6H-SiCHBT，

在VCB=2V,IE=100mA下,获得的电流增益达105，工作温度可达535℃。7.GaN基HFETHFET：它有时也称调制掺杂FET(MODFET)或高电子迁移率晶体管(HEMT)。AlGaN/GaNHEMT以AlGaN/GaN异质结为结构基础，它具有截止频率高、饱和电流高以及跨导高等优越性，能够适应大功率的工作环境，被认为是1~50GHz范围内最理想的微波功率器件。在蓝宝石上外延的AlGaN/GaN的二维电子气(2DEG)材料的室温电