北京大学GaN半导体课件

预备知识1960年前后，最早由H.Kroemer

和Zh.I.Alferou

等提出异质结构的概念。阿耳费罗夫与克勒默(Kroemer)分享2ooo年诺贝尔物理学奖。1970年，贝尔实验室的潘尼希（Ｍorton

Panish）和哈亚希(IzuoHayashi)成功地实现了双异质结半导体激光器的室温连续工作。第一章半导体异质结简介同质结：由同一种半导体材料不同掺杂区构成的结。如p-n结。

异质结：由不同半导体材料构成的结。同型异质结(nN,pP)异型异质结(nPorpN)

异质结构概念半导体激光器具有不同禁带的材料构成的异质结，在能带图上形成局域化的跳变。这种势能错开提供了一个可控制载流子的势垒。提高注入效率。能带错开可以用来将载流子限制在所需的区域。例如半导体激光器中的双异质结。通过选择异质结两边的材料，可以控制在发光的区域（直接禁带材料）、吸收光的区域和透明的区域（窗口层）。异质结两边具有不同折射率的材料，可以用来构成波导，将光限制在选择的区域。异质结的用途：n1n2n2

第二章半导体异质结的组成与生长问题？立方晶与六方晶的区别与联系维达定理半导体合金材料（用途）MOCVDMBE自组织生长RHEED第一节材料的一般特性第二节异质结界面的晶格失配第三节金属有机物化学气相外延生长第四节分子束外延法（MBE）内容第一节材料的一般特性信息电子等方面的应用需要，如通讯，显示等半导体器件：发光，探测，半导体材料选择：Si，Ge，GaAs，GaN衬底n型区p型区有源区

衬底的选取有源区材料的选取:l(mm)=1.24/Eg(eV)(2.1.1)

特定波长可通过调节Eg获得。不同材料Eg不同合金量子阱材料的实现；外延生长质量评价结构特性：XRD光学特性:PL电学特性:霍尔，I-V主要有两类：立方晶cubic六方晶wurtzite晶格常数:Si:5.43A,Ge:5.658AGaAs:5.56A,GaN:c=5.189A,a=3.192A1晶格结构形成异质结1双原子层堆积2偶极层

立六方结构1稳态与亚稳态2与衬底的关系，Si衬底技术3相的混入与抑制4超晶格？(0001)

GaN的生长极性

（PolarityofWurtziteGaN）N-FaceGa-Face(0001)把两种半导体A和B混合成合金时，（1）混合材料的晶体结构。（2）原子在合金材料内的分布状况。设x为材料A的量，形成AxB1-x时，有以下几种情况：#两种材料分布在材料的不同区域，形成分凝相。在每个合金点上，A原子占据的概率为x,B原子占据的概率为(1-x).形成随机合金材料。A原子和B原子按一定规则形成周期结构，形成超晶格。在三元合金情况下,如GaAlAs,GaAlN,InGaN.禁带宽度随组分.2半导体合金材料Eg(GaxAl1-xN)=Eg(GaN)*x+Eg(AlN)*(1-x)–b*x*(1-x)superlatticePhaseseparationABAB对直接禁带半导体材料，材料的禁带宽度满足：Eg(GaxIn1-xN)=Eg(GaN)*x+Eg(InN)*(1-x)–b*x*(1-x)Eg(GaxAl1-xN)=Eg(GaN)*x+Eg(AlN)*(1-x)–b*x*(1-x)禁带宽度的经验公式b适用范围InGaN3.2(strained)X<0.20AlGaN0.25(strained)X<0.25InGaN

3.8(unstrained)

X<0.20Jpn.J.Appl.Phys.V36(1996),pp.L177-179波长变长Al组分减少时：波长变短Al组分增加时：调节发光波长形成异质结AlGaNGaNAlNAlGaN1合金2相分离3超晶格4波长调节晶体特性测量sapphireGaN1探测晶体结构2评价结晶质量AlGaNGaN例1对于c=5.189,(0002)面

d=c/l=2.59452dsin=n,q=arcsin(l/2d)=arcsin(1.5443/5.189)=17.312q=34.62deg第二节异质结界面的晶格失配1晶格失配度:晶格失配度：a1a21悬挂键----界面态---晶体缺陷：位错、应变。非辐射复合应变（应力-----能带变化，----应变量子阱若a1a2，则在异质结界面处会存在应力。若a1>a2，晶格常数大的材料1的原子受到压缩应力，而晶格常数小的材料2的原子受到拉伸应力。这就使得界面附近的晶格常数不同于各自的体材料晶格常数，从而产生应变。如果外延层很薄，足以承当这种应力，则可以使界面处维持晶体完整性而不出现位错。外延层厚度超过其临界厚度时，就会出现晶格弛豫，应变能被释放出来，引进一定密度的位错。等于交界处键密度之差.2悬挂键密度计算SL包含在这个面中的键数为2.可以看出，在（111）面上，异质结界面态密度最小。然而实际的器件结构中，由于（110）面易于解理这一性质，常常利用它来作光学谐振腔面。相应地，与其垂直的（100）常被用来作外延生长的异质结界面。因而，其界面态密度相对于其它晶面要高一些。(111)面上的悬挂键密度第三节金属有机物化学气相外延生长衬底外延生长1液相外延2气相外延MOCVD3分子束外延也称为MOVPE（金属有机物气相外延MetalorganicVaporPhaseEpitaxy）。它是在60年代末由Manasevit提出。由于其复杂性，它的发展比较缓慢，直到80年代中后期才成为比较成熟的晶体生长技术。此后MOCVD得到了十分广泛的应用，日益成为介观物理、半导体材料和器件的研究以及生产领域最重要的外延技术之一。在GaAs、InP和GaN材料系的应用中，由它制备的材料和器件性能达到或超过了其它任何晶体外延技术的水平。与其它外延技术相比，MOCVD具有反应室简单，材料纯度高，生长界面陡，操作容易，应用范围广，可用于大规模生产等优点.这种方法的特点是，利用蒸汽压高的金属烷基化合物（甲基化合物，乙基化合物等），向衬底上输送Al、Ga、In等元素进行化合物半导体生长，这些金属有机物在氢气氛中进行热分解析出金属，同时甲基和乙基则变成甲烷和乙烷。MOCVD金属有机物化学气相沉积（MetalorganicChemicalVapor-phaseDeposition）MOCVD设备可分为四个系统：(1)载气和源供应系统，MOCVD所用的源有气体源和需要用载气携带的固、液体源；(2)反应室和控制系统，控制系统又分为压强、流量和温度三个控制分系统，分别控制反应室的压强，载气及气体源的流量和反应室的温度等；(3)尾气处理系统尾气处理系统由裂解炉和喷淋塔组成，用于分解和吸收尾气中的有毒物质，减少污染；(4)安全保障系统。安全系统包括压强、有毒气体和可燃气体报警装置以及应急反应装置，用于保证系统和操作人员的安全。表面复相反应机制认为：外延生长是按照下列步骤进行的，（1）反应物气体混合物输运到外延生长区；（2）反应物分子通过扩散，穿过边界层到达衬底表面（3）吸附分子间或吸附物与气体分子间发生化学反应生成晶体原子和气体副产物；（4）生成的晶体原子沿衬底表面扩散到达衬底表面上晶格的扭折或台阶处结合进晶体点阵；（5）副产物从表面脱附扩散穿过边界层进入主气流中被排出系统。外延生长机制模型第四节

分子束外延法（MBE）分子束外延技术(MBE):本质上是一个在超高真空条件下,对蒸发源和外延衬底温度加以精确控制的薄膜蒸发技术.MolecularBeamEpitaxyMBE设备真空系统、生长系统、监控系统生长系统：进样室、预处理室（衬底存储室）、生长室监控系统：四极质谱仪：真空度检测，监测残余气体和分子束流的成分电离计：测量分子束流量电子衍射仪：观察晶体表面结构以及生长表面光洁平整度俄歇谱仪：检测表面成分、化学计量比和表面沾污等液氮冷却：高真空，室壁原子飞向衬底极低背景压力：用电子束监视生长在超高真空腔内，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。从源射出的分子束撞击衬底表面被吸附被吸附的分子（原子）在表面迁移、分解原子进入晶格位置发生外延生长未进入晶格的分子因热脱附而离开表面1MBE特点：MOCVD:1030OCMBE:700OCMBE生长（1）表面净化加温GaAs573oC离子照射H原子照射。2生长条件：V/IIIratio，衬底温度。InsituSiRHEED像高能电子衍射ReflectionHighEnergyElectronDiffractionGrowthmechanismsSelfAssembedstructures量子点激光器量子点探测器芯片白光赫伯特-克勒默-个人概述

赫伯特-克勒默，来自美国加利福尼亚大学，他于1952年获得德国哥丁根大学理论物理学硕士学位，毕业后一直致力于研究半导体设备。1963年，他提出了双异质结构激光的概念，是这一领域的先驱之一，他所提出的概念远远超出了当时在半导体领域的研究水平。八十年代时，这种理念和相应的技术才被大量应用开来。在到美国加利福尼亚大学从事实验研究之后，他研究出多种实用半导体技术，涵盖了高性能设备、材料研究、固态物理等诸多新兴领域。出色的研究成果曾为他赢得了多项国内外大奖全名卓尔斯•伊凡诺维奇•阿尔费罗夫(Zhores

Ivanovich

Alfyorov)。苏联物理学家，与克勒默和基尔比一起为现代电脑和资讯技术做了许多基础性工作，从而共获2000年诺贝尔物理奖。

阿尔费罗夫于1970年从艾奥费物理技术学院(A.F.Ioffe

Physico-TechnicalInstitute)获得物理和数学博士学位；1987年成为该学院院长。1950年代开始研制用半导体异型结构制作快速的光电和微电子元件(当时大多数电脑晶片和其他半导体元件都是由一种材料如矽制作的，异型结构半导体是由不同材料层组成的)。克勒默的理论认为，异型结构电晶体的性能要优于传统的电晶体，阿尔费罗夫和他的研究小组用克勒默的理论，于1966年研制出第一个实用的异型结构电子器件。之後，他们在用异型结构制作电子元件方面一直处于先驱的地位，包括第一支异型结构雷射，这是由阿尔费罗夫和克勒默于1963年各自提出的。异型结构的固体雷射使光纤通信成为可能，後来，异型结构的器件还用于通讯卫星、条码阅读机、手提电话通信以及其他的产品。阿尔费罗夫英文名：Alferov,Zhores

(1930.3.15,苏联白俄罗斯〔今白俄罗斯共和国〕维捷布斯克)上世纪六十年代初开始将半导体材料作为激光媒质，伯纳德（Bernard）和杜拉福格（Duraffourg）提出在半导体中实现受激辐射的必要条件：对应于非平衡电子，空穴浓度的准费米能级差必须大于受激发射能量。由此，半导体激光器开始了从同质结到异质结的快速发展过程，单异质结最初由美国的克罗默（Kroemer）和前苏联的阿尔费洛夫于1963年提出，其实质是把一个窄带隙的半导体材料夹在两个宽带隙半导体之间，从窄带隙半导体中产生高效率复合和辐射，这个设想很大程度上取决于异质结材料的生长工艺，1967年IBM公司的伍德尔（Woodall）用液相外延方法（LPE）在GaAs上生长出AlGaAs，两三年后，贝尔实验室的潘尼希（Panish）等人研制成功AlGaAs/GaAs单异质结半导体激光器。虽然单异质结能够利用其势垒将注入电子限制在GaAsP-N结的P区内使室温阈值电流密度降到水平，但真正的突破是双异质结（DH）的发明：把p-GaAs半导体夹在N-AlxGa1-xAs层和P-AlxGa1-xAs层之间，两个异质结势垒能有效地将载流子和光场限制在p-GaAs薄层有源层内，使室温阈值电流密度减小