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1、GaN最新研究与应用 张翔宇沈鑫磊袁禹亮田新斌 目录 1 简介GaN 禁带宽度大 热导率大 介电常数小 饱和电子漂移速度高 击穿电场强度高 高抗辐射能力等特点 禁带宽度3 4eV 存在很强的原子键 是极稳定的化合物 三种属于不同晶系的结构 六方纤锌矿结构 立方闪锌矿结构以及立方盐矿结构 2 GaNHEMT 这种器件及其集成电路都能够工作于超高频 毫米波 超高速领域 原因就在于它是利用具有很高迁移率的所谓二维电子气来工作的 2 1简介HEMT HEMT 高电子迁移率晶体管是一种异质结场效应晶体管 又称为调制掺杂场效应晶体管 MODFET 二维电子气场效应晶体管 2 DEGFET 选择掺杂异质结晶
2、体管 SDHT 等 2 2GaNHEMT结构 高电子迁移率大电流适用于低压工作可制作成纳米栅毫米波器件 优势 2 3耗尽型HEMT 耗尽型HEMT研究开展较早 早在1994年 M A Khan等人报道了栅长0 25um的GaNHEMT 截止频率 fT 和最大振荡频率 fmax 分别达到11GHz和35GHz PS 对于GaN体系的HEMT 通常在Vg 0时就存在有2 DEG的器件为耗尽型器件 反之则为增强型器件 YuanzhengYue等人利用金属有机物化学气相沉积的方法 成功制备出不含背势垒层 栅长为30nm的InAlN AlN GaN SiCHEMT器件 fT打破了之前的记录 达到了370
3、GHz 掺Fe 2 4增强型HEMT 增强型器件能够简化电路设计 主要应用于高速数模电路 但是AIGaN GaN异质结构而言 由于界面有大量电荷存在 天然形成的是耗尽型器件 增强型器件一直到1996年 才由M Khan等人报道了第一只增强型器件 3 GaN激光器 1917年 爱因斯坦建立了 受激辐射 的理论 1951年 美国物理学家珀塞尔和庞德在实验中成功地造成了粒子数反转 并获得了每秒50千赫的受激辐射 1958年 汤斯和肖洛提出激光原理 汤斯和肖洛因此被认为是激光的发明者 汤斯也由此获得了1964年的诺贝尔物理学奖 1960年5月 美国科学家梅曼做出了世界上第一台红宝石激光器 1962年
4、美国通用电气试验室的工程师哈尔研制出了砷化镓材料的半导体激光器 可以发射出波长为850nm的近红外激光 3 1激光器的发展历程 19世纪70年代观察到GaN晶体的光泵浦受激发射 此后 探索MOCVD工艺以促进高质量的GaN 1989年 p型GaN的获得促使GaN激光器朝向商业化发展 该激光器的优点 唯一实现了p型和n型掺杂 长寿命工作并且商业化短波发光可用于光存储提高存储密度高光谱纯度和发光效率高纯度蓝光可与红光 黄光组合获得可见光光谱中90 的颜色 3 2紫外激光器 GaN AlN系统结构可以获得几乎整个紫外区域的光谱 由于半导体激光器本身具有成本较低 易操作 稳定性强等优点 因而很有可能取
5、代传统的气体和固体紫外激光器 GaN基紫外激光器的研究 2007年 Yoshida等制备了336nm波长的激光器 阈值电流密度为17kA cm2 2008年 Yoshida等制备了342nm波长的激光器 阈值电流密度为8kA cm2 2011年 Banal等制备了基于AlGaN AlN量子阱的波长在247nm 内量子效率为69 的紫外激光器 AlGaNMQWUVlaserdiode YoshidaH 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 Te
6、epeM etal JOURNALOFAPPLIEDPHYSICS 2007 101 12310312 InAlGaNheterostructureforaUVlaserdiode 2007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 3 3具体应用实例 高密度存储 作为新一代存储介质 蓝光存储拥有比红光存储更大的存储量 更方便信息存储 相比于磁存储 光存储介质的信息不易丢失 利用高光谱纯度和发光效率 应用于电视机光源 投影仪以及微投影仪 4 GaN应用于LED 4 1GaNLED的发展历史与现状 4 2InGaN GaN量子点 纳米线结构的LED 内量子效率高的原
7、因 量子点嵌入纳米线的异质结结构GaN纳米结构几乎无缺陷 无应力p型掺杂 空穴迁移率高 内量子效率达到56 8 H P T Nguyenet al NanoLett 2011 11 1919 1924 4 3柔性防水GaNLED 采用计算机辅助工艺设计GaNLED转移到高分子基底前后的场致发光图谱看出 峰有微弱迁移 依然发蓝光 SangYongLee Kwi IlParketal NanoEnergy 2012 1 145 151 a显示不同弯曲强度下 光学 电学性能均保持稳定b图疲劳测试 弯曲高达2000次的条件下 依然保持电学性能稳定 SangYongLee Kwi IlParketal NanoEnergy 2012 1 145 151 GaNLED 柔性证明 器件基础上加了荧光粉 形成白光 存在两个峰 分别为440nm以及540nm随着电流的增大0 1mA 1 0mA 峰变高 SangYongLee Kwi IlParketal NanoEnergy 2012 1 145 151 白光柔性GaNLED 4 4应用于医学生物领域 器件组成 柔性GaNLED 场致发光探测器 反应芯片 H P T Nguyenet al NanoLett 2011 11 1919 1924 ThankYou
