GaN在光电子器件中的应用

第一章引言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）等性质和强的抗腐蚀能力，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有广阔的应用前景。GaN是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为1700℃，GaN具有高的电离度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5或0.43）。在大气压力下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。它在一个元胞中有4个原子，原子体积大约为GaAs的一半。因为其硬度高，又是一种良好的涂层保护材料。其化学稳定性和热稳定性尤其有利于制造高温器件。其物理特性，包括宽禁带、高击穿、高饱和速度等，更有利于制造微波功率器件。更值得一提的是，由于A1xGa1-xN，InxGa1-xN的禁带宽度可调，是可见光、紫外线光电子器件的理想选择，工艺技术上，成功地实现了传统的低压、原子层的CVD淀积和A1GaN/InGaN的掺杂，从而获得了高质量GaN-A1GaN异质结和A1GaN二维电子气，优良的二维电子气传输特性使其能够制造更加独特的光电子器件。近年来，在材料生长方面的进展也很快，日本住友电气公司(SEI)已经首次生长2英寸单晶GaN衬底。同蓝宝石相比，GaN能导电，便于顶层和底层同时制作电极，节省面积;衬底和外延层的材料相同，易于解理衬底和外延层的位错少，可延长激光器的寿命。该公司计划2001年开始出售GaN材料，这种单晶的商品化不仅加快激光器的开发，而且也有利于GaN电子器件的开发。用于GaN器件的外延材料生长，经常采用MBE或者MOCVD技术。其外延材料结构大多属于六方或者立方型的晶体结构，前者生长在蓝宝石或者6H/4HSiC衬底上，当前，大多数器件采用此类衬底。由于GaN具有十分优良的材料性质，所以被广泛应用于光电子器件中，比如光电器件、激光器和探测器等，随着技术的发展，GaN的应用越来越广泛，它正以前所未有的速度影响着我们的日常生活。GaN的性质GaN在一个无胞中有4个原子，原子体积大约为GaAs的一半。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。因其硬度高，又是一种良好的涂层保护材料。下面我们来瞭解下GaN的化学特性、电学特性和光学特性。2.1GaN的化学特性在室温下，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NaOH、H2SO4能较快的腐蚀质量差的的GaN，可用于这些质量不高的GaN晶体的缺陷检测，GaN在HCL或H2下，在高温下呈现不稳定特性，而在N2下最为稳定。2.2GaN的电学特性GaN的电学特性是影响器件的主要因素。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。很多研究小组都从事过这方面的研究工作，其中中村报道了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。未掺杂载流子浓度可控制在1014～1020/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1011～1020/cm3范围。2.3GaN的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。Maruska和Tietjen首先精确地测量了GaN直接隙能量为3.39eV。几个小组研究了GaN带隙与温度的依赖关系，Pankove等人估算了一个带隙温度系数的经验公式：dE/dT=－6.0×10－4eV/k。Monemar测定了基本的带隙为3.503eV±0.0005eV，在1.6kT为Eg=3.503＋（5.08×10－4T2)/(T－996)eV。它在光电子器件如蓝光、紫外、紫光等光发射二极体和镭射二极体方面有着重要的应用。作为第三代半导体材料的代表，氮化鎵(GaN)基材料可制成高效蓝、绿光发光二极体和镭射二极体LD(又称雷射器)，并可延伸到白光，将替代人类沿用至今的照明系统。氮化鎵(GaN)基材料奠定了解决白色发光二极体的基础，并且氮化鎵蓝光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交通信号和指标灯，以氮化鎵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．2.4GaN材料生长GaN材料的生长是在高温下，通过TMGa分解出的Ga与NH3的化学反应实现的，其可逆的反应方程式为：

Ga＋NH3=GaN＋3/2H2

生长GaN需要一定的生长温度，且需要一定的NH3分压。人们通常采用的方法有常规MOCVD(包括APMOCVD、LPMOCVD)、等离子体增强MOCVD(PE—MOCVD)和电子回旋共振辅助MBE等。所需的温度和NH3分压依次减少。本工作采用的设备是AP—MOCVD，反应器为卧式，并经过特殊设计改装。用国产的高纯TMGa及NH3作为源程序材料，用DeZn作为P型掺杂源，用(0001)蓝宝石与(111)硅作为衬底采用高频感应加热，以低阻硅作为发热体，用高纯H2作为MO源的携带气体。用高纯N2作为生长区的调节。用HALL测量、双晶衍射以及室温PL光谱作为GaN的质量表征。要想生长出完美的GaN，存在两个关键性问题，一是如何能避免NH3和TMGa的强烈寄生反应，使两反应物比较完全地沉积于蓝宝石和Si衬底上，二是怎样生长完美的单晶。为了实现第一个目的，设计了多种气流模型和多种形式的反应器，最后终于摸索出独特的反应器结构，通过调节器TMGa管道与衬底的距离，在衬底上生长出了GaN。同时为了确保GaN的质量及重复性，采用硅基座作为加热体，防止了高温下NH3和石墨在高温下的剧烈反应。对于第二个问题，采用常规两步生长法，经过高温处理的蓝宝石材料，在550℃，首先生长250A0左右的GaN缓冲层，而后在1050℃生长完美的GaN单晶材料。对于Si衬底上生长GaN单晶，首先在1150℃生长AlN缓冲层，而后生长GaN结晶。生长该材料的典型条件如下：

•NH3：3L/min

•TMGa：20μmol/minV/Ⅲ=6500

•N2：3～4L/min

•H2：2<1L/min

人们普遍采用Mg作为掺杂剂生长P型GaN，然而将材料生长完毕后要在800℃左右和在N2的气氛下进行高温退火，才能实现P型掺杂。本实验采用Zn作掺杂剂，DeZ2n/TMGa=0.15，生长温度为950℃，将高温生长的GaN单晶随炉降温，Zn具有P型掺杂的能力，因此在本征浓度较低时，可望实现P型掺杂

但是，MOCVD使用的Ga源是TMGa，也有副反应物产生，对GaN膜生长有害，而且，高温下生长，虽然对膜生长有好处，但也容易造成扩散和多相膜的相分离。中村等人改进了MOCVD装置，他们首先使用了TWO—FLOWMOCVD(双束流MOCVD)技术，并应用此法作了大量的研究工作，取得成功。双束流MOCVD生长示意图如图1所示。反应器中由一个H2＋NH3＋TMGa组成的主气流，它以高速通过石英喷平行于衬底通入，另一路由H2＋N2形成辅气流垂直喷向衬底表面，目的是改变主气流的方向，使反应剂与衬底表面很好接触。用这种方法直接在α—Al2O3基板(C面)生长的GaN膜，电子载流子浓度为1×1018/cm3，迁移率为200cm2/v•s，这是直接生长GaN膜的最好值。

第三章GaN光电子器件用于制造短波长发光二极管(LED)和激光器的，III一V族材料具有极大的吸引力。超高亮度蓝光、绿光LED的商品化和第一只，III族氮化物激光器诞生后，更清楚地表明，该材料具有极大的应用潜力。还值得指出，这类器件能够开发的主要原因在于，人们成功地解决了三个关键技术。第一，采用缓冲层技术，即在蓝宝石衬底上，低温生长A1N或GaN层，获得高纯度的异质结;第二，摸清氢化物钝化机理，采用Mg作受主杂质，实现P型掺杂的GaN;第三，生长高质量的合金层InxGa1-xN。

GaN材料系列是一种理想的短波长发光器件材料，GaN及其合金的带隙复盖了从红色到紫外的光谱范围。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。以发光效率为标志的LED发展历程见图3。蓝色发光器件在高密度光盘的信息存娶全光显示、激光打印机等领域有着巨大的应用市常随着对Ⅲ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/AlGaN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的市场预计将从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，高密度DVD存储，蓝绿光对潜通信等。

在成功开发Ⅲ族氮化物蓝光LED之后，研究的重点开始转向Ⅲ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公司和Fujitsu公司采用SiC作为衬底材料，开发Ⅲ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，该激光器彩霞的是横向器件结构。富士通继Nichia，CreeResearch和索尼等公司之后，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。

3.1pn结LED1971年第一只GaNLED问世，由于当时还不能进行GaN的P型掺杂，该器件只是一只MISLED。80年代末期，继成功地实现GaN的p型掺杂之后，制作出第一只GaN的pn结LED。该器件结构包括，在一层非掺杂的n型(N＝2*1017cm-3)GaN膜上，生长一层掺杂Mg的GaN层。3.2金属一绝缘物一半导体LED尽管经典型的金属一绝缘物一半导体(MISLED)的发光效率低，不适合于屋外显示，但在低光强度平面显示方面，仍然有其市场。这些LED的峰值波长为485nm，其FWHM约70nm，并且有相当长的寿命。3.3双异质结LED同质结GaNLED存在的主要问题是双波长(370～430nm)现象。其解决办法是采用异质结构的LED，并能够控制波长，即采用一种p-A1GaN/n-GaN/n-A1GaN双质结(DH)LED，也有人采用InGaN，将其波长转变成蓝光和绿光。3.4GaN激光器若干年来，人们一直关注宽禁带氮化物在数字信息方面的应用。数字信息存储和读取与显示和发光应用不同，它要求相干光源，即，激光。将相干光源的输出聚焦成受衍射限制点，并允许光学系统能够非常精确地记录和读取。光波波长越短，聚焦直径越小，能记录的密度也就越高。GaN基激光器的波长很短。采用蓝光和UV波长的半导体激光器，能够提供的储存密度将超过1Gb/cm2。从发现GaN激光器以来，人们已经开展了许多研究工作，包括，垂直腔体表面发射激光器(SEL)、常规的识别限制异质结构边缘发射激光器和四元的激光器等。宽禁带Ⅲ-Ⅴ族GaN基半导体材料在发光二极管、激光器、光电探测器以及高温、高频和大功率电子器件等方面有着诱人的应用前景和巨大的市场需求,是近年来光电子材料领域研究的热门课题。特别是发光波段在400-410nm的GaN基蓝紫光激光器是高密度光存储系统中最有希望的光源,因此制作蓝紫光短波长的激光器一直是人们研究的焦点,但GaN基激光器材料的生长和器件的制备方面还存在一些困难,特别是GaN基材料的P型掺杂、厚且无裂的AlGaN材料生长、高质量的P型GaN欧姆接触等。本文针对以上一些问题并结合GaN基激光器的研制工作开展了一系列的相关的研究,比如:一维光场模拟、相关材料的生长和低P型欧姆接触的研究。主要包括以下内容:1)采用传输矩阵的方法对GaN基激光器的光场分布进行一维理论模拟,并分析了各层材料及结构对GaN基激光器光场分布的影响。模拟发现:当增加N型限制层Al_xGa_(1-x)N/GaNSLS的厚度和Al组分,或者在N型限制层较薄的情况下适当增加波导层厚度时,都能抑制反波导行为;而在保证质量的情况下,N型接触层的厚度则是越薄越好。值得一提的是,研究中首次发现,当波导层采用InGaN或InGaN/GaNSLS结构时,对光的限制能力将会明显提高,相应地阈值电流密度会降低。以获得大的光场限制因子和低的阈值电流密度为目标,优化出了各层材料参数:分别取N和P型接触层GaN的厚度为2000nm和200nm情况下,N型限制层Al_xGa_(1-x)N/GaNSLS厚度600nm(120对超晶格),Al组分为0.22;N型波导层GaN厚度90nm,有源区In_(0.14)Ga_(0.86)N/GaN量子阱数为2;P型电子阻挡层Al_(0.2)Ga_(0.8)N厚度10nm;P型波导层GaN厚度70nm;P型限制层Al_xGa_(1-x)N/GaNSLS厚度300nm(60对超晶格),Al组分为0.22。2)研究了TMAl的流量和生长温度对AlGaN材料的的影响,重点研究如何获得厚且无裂AlGaN材料,本文采用AlGaN/GaN超晶格代替厚的AlGaN的生长,获得厚且无裂的限制层材料。3)理论分析InGaN/GaNMQW有源区发射波长与阱和垒的组分、厚度关系,发现通过适当组合阱和垒的In组分与厚度,可以调整发射波长。并通过生长LED结构来优化有源区,改变有源区阱的生长温度,发现其温度变化与发射波长呈线性关系,由此可以通过调节阱温,获得特定发射波长,并且还讨论了变温生长对InGaN/GaNMQW光学特性的影响。4)研究了获得p-GaN欧姆接触的低接触电阻方法。①对p-GaN表面预处理方法和合金化的时间、温度、氛围进行了优化。②在对该工艺优化的基础上,对比分析了两种不同材料的欧姆接触,即体材料p-GaN和采用p-InGaN/p-GaN超晶格薄层为顶层的p型材料。研究发现,在p-GaN上直接沉积一层p-InGaN/GaN超晶格薄层材料能够有效降低欧姆接触电阻,并在优化接触工艺为550℃、氧气氛围下合金30分钟的条件下,获得较低的比接触电阻率1.99×10~(-4)Ωcm~2。③对p-InGaN/p-GaN超晶格薄层形成低阻欧姆接触的原因进行了理论分析,首次研究了超晶格薄层中p-GaN层温度变化对欧姆接触的影响,以及超晶格层生长过程中以p-GaN或者p-InGaN作为终止层时对欧姆接触性能的影响。发现在较低温度下生长p-GaN有利于欧姆接触的形成,而值得注意的是,以p-InGaN作为终止层可以获得更低的欧姆接触,针对此结果,文中进行了较为深入的分析。④应用应变平衡理论,首次提出用p-InGaN/p-AlGaN超晶格代替p-InGaN/p-GaN超晶格层做p-GaN的顶层,并获得更低的欧姆接触电阻,其比接触电阻率为:7.27×10~(-5)Ω.cm~2。并从能带和空穴电荷密度两个方面分析接触电阻降低的原因。最后把应变补偿效应的超晶格材料应用在发光二极管(LED)上,相对常规LED而言,获得较低的工作电压。3.5异质结场效应晶体管(HFET)光探测器该器件以0.2vm栅长的A1GaN/GaNHFET为基础，其机理是利用穿透光载流子引起器件闽值电压的漂移，该HFET可作为微波放大器。非可见光短栅A1GaN/GaNHFET紫外光探测器的响应度高达3000A/W。其工作温度高达300C，室温下，最高振荡频率fmax和截止频率ft分别为70GHz和22GHz。AlGaN/GaN异质结场效应晶体管（HFET）的相关工艺和特性表征的研究。这里的相关工艺包括AlGaN/GaN的欧姆接触、肖特基接触和金属/介质/AlGaN/GaNMIS结构的工艺制备和特性表征。在AlGaN/GaN的欧姆接触研究中，除分析了Ti/Al/Ti/Au和几种Ti/Al/Ni/Au叠层结构的接触电阻外，讨论欧姆接触退火导致AlGaN出现裂缝以及Ti/Al/Ti/Au欧姆接触出现短路的现象。通过进一步的实验分析，发现这种现象是由于金属Ti和Al的共同作用下，引起AlGaN层过大的张应力，直至造成裂纹及裂纹中引入金属TiNx，从而导致金属之间短路。实验结果表明，相对于Ti/Al/Ti/Au欧姆接触，Ti/Al/Ni/Au欧姆接触具有更好的热稳定性和更低的接触电阻。AlGaN/GaN的常规肖特基接触和刻蚀台面边缘肖特基接触结构，利用设计的垄沟结构证实了台面边缘的漏电现象，并通过不同温度下的电学测量和理论分析得出结论：不论AlGaN/GaN的普通肖特基接触还是的刻蚀台面边缘肖特基接触，反向泄漏电流在常温和更高的温度下以Frenkel-Poole陷阱辅助电子热发射电流为主。分析了Si3N4、SiO2和Al2O3分别作为介质的金属/介质/AlGaN/GaNMIS结构。研究表明，采用最为常用的介质PECVDSi3N4作为AlGaN/GaNHFET器件栅绝缘层，其MIS结构有比常规肖特基接触更小的正、反向泄漏电流；PECVDSiO2MIS虽有极小的正、反向泄漏电流，但耐击穿能力很差；开发出电子束蒸发Al再热氧化形成的Al2O3的绝缘栅介质制备工艺。与其他介质MIS结构相比，Al2O3的绝缘栅MIS结构具有最小的反向泄漏电流和很好的抗击穿能力。与常规肖特基接触下沟道二维电子气（2DEG）面密度相比，Si3N4介质MIS结构中栅下沟道电子浓度较大，而Al2O3介质的相应沟道电子浓度则较小。讨论了AlGaN/GaNHFET器件的基本原理、制造工艺，给出了几种HFET器件的直流特性。结果表明，PECVDSi3N4的钝化可导致AlGaN/GaNHFET器件的阈值电压向负电压方向漂移，并导致栅泄漏电流的显著增大。而电子束蒸发Al再热氧化形成的Al2O3介质MISHFET虽然使跨导下降，但提高了电压工作范围，降低了栅泄漏电流。3.6异质结绝缘栅场效应晶体管(HIGFET)在高偏压下，由于介质中热电子的陷阱效应，导致GaN/Si3N4HIGFET的电流一电压塌陷，只要光照则能恢复，类似于某些材料的低温效应。然而，GaN器件在室温下，就具有此种效应，使其更适合于实际应用。图I给出A1GaN/GaNHIGFET的电流一电压特性。3.7高速、低噪声紫外光探测器紫外(UV)光探测器具有广阔的应用前景，譬如，太阳天文学，导弹火舌探测，燃烧过程监控等，UV发射光藉能够提供有关发射源的重要信息。然而，由于UV发射光谱位于可见光和红外光之间，只有高灵敏度的探测器，才能探测目前长波长探测不到的微弱的光信号。由于m族氮化物具有高的量子效应，具有噪声低、信号陡峭、边带可调的优点，将其应用于该领域，前途无量。近期，有关GaN基的光导体、pn光二极管、响应度高的肖特基光二极管也己有报道。近来的研究工作，主要集中在如何充分利用pin结构的优点，以期获得更高的灵敏度和更快的反应速度。例如，GaN和A1GaN/GaNpinUV光二极管的响应度和响应时间，已分别达到O.15A/W和12ns。零偏压下，其NEP值分别为4和8.3，将顶部P型层的GaN换成Al0.12Ga0.88N，可改善其响应，并降低响应时间[[5]。该器件采用反应分子束外延技术，将其pin结构生长在C平面的蓝宝石衬底上。GaN同质结构包括下述多层材料:(a)薄的A1N缓和层;(b)3vmSi-GaNn层;(c)lvmGaNi层:(d)0.2im掺Mg的GaNp型层;(e)lOnmA1GaN钝化层。相关的光电子器件还有:GaN光电探测器，GaN-A1GaN四分之一波长整流器，GaN,A1GaN,InGaN同质一异质结LED等。第四章GaN高功率、高温电子器件对于高功率、高温电子器件，GaN,SiC等宽禁带材料具有诱人的材料性质，几乎是微波功率应用的理想材料。这些性质包括，宽禁带宽度、高载流子速度、高热导率和高击穿电压。它表明，用该种材料制作的器件将具有:高功率、高效率和耐高温等特点。理论上预测，室温下，这类器件的微波功率将比同类的GaAs器件高出四分之一。此外，其工作温度将在500℃以上，而GaAs器件则不能。GaN宽禁带的性质导致其低的本征载流子浓度，可在较宽的温度范围内，精确地控制自由载流子浓度。4.1GaNMESFETGaNMESFET的材料结构和工艺制作都较简单。即采用低压MOCVD技术，并且利用一层A1N薄膜，将其制作在蓝宝石衬底上，以提高GaN膜的质量。几种A1GaN/GaN场效应管的直流参数测量表明，其工作温度可达到300℃以上。4.2A1GaN/GaN双异质结沟道MODFETA1GaN/GaN材料结构的突出优点是，高迁移率和高载流子浓度。大多数优良的器件采用该种材料结构。较高的A1组分有利于提高A1GaN的禁带宽度，因此，获得比宽禁带GaN还高的击穿电场，形成更大的导带不连续(△E})改善载流子的束缚。近年来，其功率密度已有明显进展，已从2GHz下，1.1W/mm，提高到18GHz下，3W/mm;栅长和沟道分别约为1.5～1.7vm和3vm的A1GaN/GaN双异质结沟道MODFET;室温下，其最大漏电流和跨导分别约为11OOmA/mm和270ms/mm;在夹断电压附近，漏击穿电压～80V;将温度提高到300℃时，其最大漏源电流和跨导分别约为5OOmA/mm和120ms/mm。4.3GaN基HBT据报道，GaN/SiCHBT具有高的电流增益。GaN和SiC的禁带宽度分别为3.4和2.9eV，两者都具有高的热导率，分别为1.3W/cm0C和S.OW/cm0C。两种材料相当匹配。可以采用n型掺杂，浓度为1.8*1018cm-3的SiC衬底作为集电极。另外，还有有关GaN/InGaN/GaNHBT等的报道。而用于大功率通信和雷达的功率放大器的A1GaN/GaNnpnHBT，其高温工作的温度也可达到3000C。第五章高击穿器件5.1高压GaN肖特基整流器宽禁带二极管是高功率、高温度应用.的诱人器件。它可用于许多方面，譬如，重型马达的固态驱动器，电动车辆或者船舶的脉冲功率源，电动汽车和设备发射机以及配电器。至今，人们比较关注的器件是，闸流管，绝缘栅双极晶体管，pin和肖特基整流管。同SiC器件相比，GaN单极晶体管将具有较高的开关速度和保持电压。据报道，已经研制出反向击穿电压(VRB)达到350～450V的简单肖特基整流器。肖特基整流器诱人的特点在于，较快的开关速度和较低的正向压降。台面型和平面型的GaN肖特基二极管整流器的反向击穿电压(VRB)已分别达到SSOV和大于2kV，其室温下开态电阻RON、分别为6mΩcm2，和0.8mΩcm2·室温下，隔离层3wm厚的平面型二极管的电流一电压特性如图2所示。美国Sandia国家实验室等也己研制GaN肖特基整流器，其反向击穿电压达到2kV以上，对于高压开关具有特别重要的意义。5.2MODFET当A1o.25Ga0.75N/GaNHEMT栅一漏间距为1,2和3vm时，栅一漏击穿电压可分别达到100，160和220V。而Al0.5Ga0.5N/GaNHEMT的栅一漏击穿电压则可提高百分之二十，当栅一漏间距为3vm时，其栅一漏击穿电压大于284V。5.3A1GaN/GaNMOSHFET该器件采用MOCVD技术，在蓝宝石上，生长A1GaN/GaN异质结构材料，制作高质量的Si02-A1GaN界面，如图3所示。即先后生长AIN缓冲层5Onm;绝缘层GaNlvm:n-GaN层5Onm掺杂浓度2*1017Cm-3～5*1017cm-3;Alo.2Gao.8N30nm势垒层，掺杂Si，浓度2X1018cm-3。从测量结果表明，该器件的漏泄电流比类似的HFET小6个数量级，如图4所示。该器件的寄生电容比HFET的小得多;测量结果还表明，即使环境温度达到300C，其栅电流仍然很低。作为微波器件的MOSHFET，这些特性尤其重要。它将是高频率、高速度应用的一种独特器件。5.4GaN结型场效应晶体管(JFET)从MESFET,MODHFET和JFET的比较可知，由于JFET的pn结自建势比前两种器件高，因此，其具有较高的起始电压和较低的反向漏泄电流。该特性对于高温工作的器件尤其重要。另外，结型栅已经过高温生长的工艺，将其表面有效地埋藏，金属温定性好。JFET可以采用离子注入或是外延生长等工艺制作。采用MOCVD外延生长工艺的JFET的结构，如图5所示。‘该器件的栅长0.8vm，结击穿电压56V，其式ft和fmax分别是6GHz和12GHz。5.5GaN的应用前景

对于GaN材料，长期以来由于衬底单晶没有解决，异质外延缺陷密度相当高，但是器件水平已可实用化。1994年日亚化学所制成1200mcd的LED，1995年又制成Zcd蓝光(450nmLED)，绿光12cd(520nmLED);日本1998年制定一个采用宽禁带氮化物材料开发LED的7年规划，其目标是到2005年研制密封在荧光管内、并能发出白色光的高能量紫外光LED，这种白色LED的功耗仅为白炽灯的1/8，是荧光灯的1/2,其寿命是传统荧光灯的50倍～100倍。这证明GaN材料的研制工作已取相当成功，并进入了实用化阶段。InGaN系合金的生成，InGaN/AlGaN双质结LED，InGaN单量子阱LED，InGaN多量子阱LED等相继开发成功。InGaNSQWLED6cd高亮度纯绿茶色、2cd高亮度蓝色LED已制作出来，今后，与AlGaP、AlGaAs系红色LED组合形成亮亮度全色显示就可实现。这样三原色混成的白色光光源也打开新的应用领域,以高可靠、长寿命LED为特征的时代就会到来。日光灯和电灯泡都将会被LED所替代。LED将成为主导产品，GaN晶体管也将随材料生长和器件工艺的发展而迅猛发展，成为新一代高温度频大功率器件。第六章GaN材料的优缺点一方面GaN材料有以下优点：①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；②导带底在Γ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）；③GaN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）；④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.另一方面，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108~1010/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（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1015~1020/cm3、室温迁移率＞300cm2/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1017~1018/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）。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。结束语由于宽禁带半导体材料GaN具有十分优良的材料性质。既能用于光电子器件，譬如，蓝光和蓝-绿光LED,激光器和探测器等，又能用于高功率/高温度微波电子器件和高击穿的特种器件。其应用范围如此广泛的材料实属难得，可以相信，在其相关领域中，它将会继续发出璀璨的光彩。参考文献［1］袁明文等，氮化钾微波电子的进展。半导体情报，1996,36（6）［2］吕红亮等，化合物半导体器件,153-160［3］GaN基材料和器件辐照可靠性研究［4］D.C.Look,etal,DefectDonorandAcceptorinGaN,PhysicalReviewLetters,1997,vol.79,no.12:2273-2276.［5］J.Neugebaurer,C.G.VanderWalle,AtomicgeometryandelectronicstructureofnativedefectsinGaN,PhysicalReviewB,1994,vol.50,no.11:8067-8070.［6］S.A.Goodman,F.D.Auret,M.J.Legodi,B.BeaumontandP.Gibart,Characterizationofelectron-irradiatedn-GaN,AppliedPhysicsLetters,vol.78,3815,2001.［7］J.W.McClory,J.C.Petrosky,TemperatureDependentElectricalCharacteristicsofNeutronIrradiatedA1GaN/GaNHFETs,IEEETransactionsonNuclearScience,Dec.2007,vol.54,no.6:1969-1974.［8］K.H.Chow,etal,DetectionofInterstitialGainGaN,PhysicalReviewLetters,2000,vol.85,no.13:2761-2764.［9］D.C.Look,etal,OntheNitrogenVacancyinGaN,AppliedPhysicsLetters,2003,vol.83,no.17:3525-3527.［10］HogsedMR,DeepLevelDefectsinElectron-IrradiatedAluminumGalliumNitrideGrownByMolecularBeamEpitaxy,AirForceInstituteoftechnology(AU),Wright-PattersonAFB,OHSeptember2004(ADA420816).［11］EmtsevVV,DavydovVYu,KozlovskiiVV,BehaviorofElectricallyactivePointDefectsinIrradiatedMOCVDn-GaN,Physica1999,273-274:101-104.［12］K.Saarinen,etal,GavacanciesinelectronirradiatedGaN:introduction,stability,andtemperaturedependenceofpositrontrapping,PhysicaB,2001,vol.308-31:77-80.［13］P.J.Mcwhorter,andP.S.Winokur,SimpleTechniqueforSeparatingTheEffectsofInterfaceTrapsandTrapped-OxideChargeinMOSTransistors,Appl.Phys.Lett.,1986,48(2):133-135.［14］K.F.Galloway,M.GaitanandT.J.Russell