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1、兰州交通大学毕业设计（论文）11.绪论绪论 20 世纪 90 年代以来，由于异质外延缓冲层技术的采用和 GaN 的 P 型掺杂技术的突破，从而开辟了 GaN 通向实际应用的光辉大道，引发了全世界 GaN研究的热潮，并已取得了辉煌的成绩。GaN 超高亮度蓝、绿光 LED 已实现商品化。目前研发竞争的焦点主要集中在蓝光 LD 方面，以及大功率高温半导体器件和微波器件用的材料研制和器件制备技术方面。以 GaN 为代表的第三代半导体材料被誉为 IT 产业新的发动机。GaN 材料具有许多硅基材料所不具备的优异性能，包括能够满足大功率、高温、高频和高速半导体器件的工作要求。它最重要的物理特点是具有比第一、
2、二代半导体材料更宽的禁带，可以发射波长更短的蓝光和紫光，因此，GaN 器件可以广泛地应用于光显示、光存储、激光打印、光照明以及医疗和军事等领域。因此，近几年世界各国政府有关机构、相关企业以及风险投资公司都纷纷加大了对 GaN 基半导体材料及器件的研发投入。1.1 氮化镓材料的发展历程氮化镓材料的发展历程自从 1928 年 GaN 首次合成，到 1969 年成功制备出了 GaN 单晶晶体薄膜，都一度给这种材料带来了新的希望。很长的一段时间以来，人们一直在寻求和研究 GaN 体单晶材料和其外延薄膜晶体的生长方法。由于氮化镓体单晶生长极其困难，且单晶直径太小，不能达到实用化的目的，而其薄膜晶体又因缺
3、陷密度和本体施主浓度过高等原因，使族氮化物半导体材料和器件的进展缓慢，一直落后于 SiC 和 ZnSe 带隙半导体材料和器件的发展。进入 20 世纪 90 年代以后，随着异质外延技术的不断进步，采用缓冲层技术，现在已经可以在一些特定的衬底材料上外延生长得到质量较好的 GaN 外延层。另外，制备 P 型 GaN的技术难题，也通过对搀入 P 型杂质的 GaN 进行低能电子束辐射或进行热处理得以解决。目前，对 GaN 及其相关族氮化物半导体研究的焦点已集中在蓝光LD 及大功率高温半导体器件和微波用材料的研制和器件的制备方面。1.2 氮化镓材料的优势和应用氮化镓材料的优势和应用GaN 材料具有许多硅基
4、材料所不具备的优异性能，包括能够满足大功率、高温、高频和高速半导体器件的工作要求。由于具有优越性的特性，GaN 材料以及基于 GaN 材料的各种器件在近十年中得到了系统和深入的研究。GaN 材料主要应用于光学器件如发光二极管(LED)、半导体激光器(LD)、光探测器(PD)；兰州交通大学毕业设计（论文）2电子器件如高电子迁移率晶体管(HEMT)、肖特基势垒场效应晶体管(MESFET)。AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMTs)在高频高温大功率领域具有十分引人瞩目应用前景。AlGaN/GaN是国际上广泛关注的新型宽禁带化合物半导体材料,具有较宽的禁带宽度(GaN3.4eV,AlN6.2e
5、V),较高的击穿场强(131010V/cm ),高电子饱和漂移速率(2.21010cm/s),良好热稳定性。与此同时,AlGaN/GaN 异质结具有较大的导带不连续性,注入效率较高,界面处又有强烈的自发极化与压电极化效应,2DEG可达到很高的电子密度(不掺杂可达1013cm-2)因此,凭借优良的材料特性及制作工艺的提高,GaN 基器件可达到比GaAs器件大510倍的微波功率密度。目前国际上报道GaN单指HEMTs器件10GHz下连续波功率密度可达10.7W/m2,PAE约40%。在20GHz下,0.3m器件CW测试功率密度可达到3 W/m2,PAE约为22.5%。SiC衬底GaN单指器件fT大
6、于160GHz,蓝宝石衬底fT大于110GHz。我国的GaN器件研究工作开展得较少。氮化镓是继第一代硅、锗（Ge）和第二代砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等材料以后的第三代新型半导体材料，具有大禁带宽度、高临界场强、高热导率、高载流子饱和速率、异质结界面二维电子气浓度高等特性，其品质因素远远超过了硅和砷化镓，因而成为制造高功率、高频电子器件、短波长光电子器件、高温器件和抗辐照器件最重要的半导体材料。其中，GaN 由于其材料特性相对其它竞争者更具优势，各种材料特性对比如表 1.1 所示表 1.1 几种半导体材料特性参数材料 迁移率 介电常数 禁带宽度 热导率 Baliga Johon(cm2
7、/Vs) (eV) (W/cmK) 优值 优值Si 1300 11.4 1.1 1.5 1.0 1.0GaAs 5000 13.1 1.4 0.46 9.6 3.5SiC 260 9.7 2.9 3.5 3.1 60GaN 1500 9.5 3.4 1.7 24.6 80此外 GaN 基器件具备很多优点，可总结为表 1.2。第一列是对任何功率器件技术的性能要求，第二列是可以满足前面要求的 GaN 基器件特性，第三列是采用 GaN 器件可以达到的系统级性能优势。兰州交通大学毕业设计（论文）3表 1.2 GaN 基器件的优点与系统需求技术要求 GaN 基器件可用特性 系统级性能优势高功率/单位栅宽
8、 禁带宽，能承受高电场强度 面积小，易匹配 高工作电压 击穿电场高 消除/减小电压转换高线性 HEMT 结构 频带分布优化高频率 2DEG 迁移率高 频带宽，微波/毫米波高效率 工作电压高 节能，散热要求低低噪声 增益高，速度快 高动态范围高温工作 禁带宽 可靠性好热管理 SiC 衬底 散热要求低的大功率器件 2.氮化镓材料的制备和基本特性氮化镓材料的制备和基本特性要了解氮化镓的光学特性，我们应了解氮化镓如何制备，及其基本特性。这对为何氮化镓受到市场广泛应用有很重要的实用意义。从其基本特性我们也可以对氮化镓材料做一个初步的了解，而且这些特性之间都是有联系的，这对最终研究其光学特性是非常重要的。
9、2.1 氮化镓材料的制备氮化镓材料的制备制备高质量的 GaN 体单晶材料和薄膜材料,是研制开发族氮化物发光器件、电子器件以及保证器件性能和可靠性的前提条件。因为 GaN 的熔点高达1700左右,所以很难采用熔融的液体 GaN 制备单晶材料,虽然采用了高温、高压技术,但也只能得到针状或小尺寸的片状 GaN 晶体。历史上 GaN 材料的制备经历了 3 个阶段:1928 年 Johnson 等人通过 Ga 金属与 NH3 反应合成了 GaN 粉末,1969 年 Maruska 和 Tietjen 等人用氢化物气相外延(HVPE)方法制备了第一个GaN 单晶薄膜,进入 80 年代以来,MOCVD 技术
10、开始用于 GaN 材料的生长,尤其是 Nakamura 提出的双气流思想,为制备高质量的 GaN 材料提供了基础保证。兰州交通大学毕业设计（论文）41991 年,Nakamura 制造出了第一支掺 Mg 的同质结 GaN 蓝色发光二极管,于是国际上众多的研究组采用 MOCVD 方法生长 GaN。现在 MOCVD 已经成为 GaN材料生长的标准方法,也是目前唯一能制备出高亮度氮化物发光二极管并用于规模生产的生长技术。下面主要介绍 MOCVD 方法生长 GaN 材料的原理、装置和过程。2.1.1 MOCVD 方法生长方法生长 GaN 的简单原理的简单原理MOCVD 是金属有机物化学气相沉积的缩写,
11、也称 MOVPE(金属有机物气相外延)。它是在一块衬底上,让反应物原子在一定温度下沿着晶格外延。其工作原理大致为:当有机源处于某一恒定温度时,其饱和蒸汽压是一定的。通过流量计控制载气的流量,就可知载气流经有机源时携带的有机源的量。多路载气携带不同的源输运到反应室入口混合,然后输送到衬底处,在高温作用下发生化学反应,在衬底上外延生长。反应副产物经尾气排出。在 MOCVD 工艺中，源材料的物理和化学性质对生长条件、外延层质量、生长装置及生长的安全性和成本都有很大影响。对源的要求一般有以下几点：(1)室温下为液体，并有稳定的蒸汽压以保证能精确控制送入反应室源的剂量。(2)选择适宜热分解温度的源材料，
12、以提高源的利用率。(3)反应活性较低，不与一起使用的其它源发生预淀积反应，最好对水和空气不敏感。(4)易于合成与提纯。MOCVD 生长晶体的过程涉及到非常复杂的热力学和动力学问题。因为热力学分析的体系是处热平衡态的体系,而 MOCVD 是一个开放体系,难以满足热平衡条件,所以热力学分析给出的只是反应过程的极限情况。动力学可用来确定晶体生长中的各种过程的速率。从热力学来看,GaN 生长中的主要反应有: (1) TMG(I 族元素来源的有机化合物为三甲基稼简称 TMGa 或 TMG)和 NH3 的 裂解反应:32333)()(CHCHGaCHGa3323)()(CHCHGaCHGa33)(CHGa
13、CHGa兰州交通大学毕业设计（论文）5HNHNH23HNHNH2HNNH(2) GaN 的合成反应:43333)(CHGaNNHCHGa(3) 气相副反应:333333)()(NHCHGaNHCHGa432233333)(3)(3CHNHCHGaNHCHGa(4) 合成物的分解反应:43333)(CHGaNNHCHGaKoleske 发展了 GaN 外延生长的表面动力学模型。该模型主要考虑了以下4 个物理过程:(1)GaN 的热分解;(2)GaN 和 N 的表面吸附;(3)Ga 和 N 的表面脱附;(4)Ga 和 N 的表面迁移。该模型可以用来对 GaN 生长做简单的动力学分析。从动力学的角度
14、,生长速率可表示为:)1 (NGaNNGaGaNGaNHdHHCT这里,C 代表原子进入外延层的速率, d 代表原子从生长层到表面的分解速率,H是表面占据率。2.1.2 MOCVD 方法生长方法生长 GaN 薄膜的典型过程薄膜的典型过程MOCVD 设备可分为 5 个主体部分:载气和源供应系统、反应室、控制系统、尾气处理系统和安全保障系统。所用的源一般需要用载气携带。控制系统主要用于流量、温度、压力的控制。图 2 给出了 MOCVD 生长 GaN 原理图。由于 GaN 体单晶难以制备,无法获得 GaN 衬底,只能使用其他的衬底材料进行异质外延。目前使用最广泛的衬底是蓝宝石,由于蓝宝石和 GaN
15、之间的晶格失配度非常大(达 14%),不能直接在蓝宝石上高温生长 GaN,需要采用二步生长法,即先在低温下生长一层 GaN 或 AlN 缓冲层,然后,将衬底升温到生长温度外延生长GaN 薄膜。如果是生长制作器件所需的 GaN 叠层结构,则每一层生长都需要精确控制生长的温度和每种源的流量。例如,生长典型的发光二极管 InGaN/GaN双异质结构,一般先在 550左右生长一层缓冲层,接着把衬底加热到 1050左右,通兰州交通大学毕业设计（论文）6入 Ga 源和 N 源的同时引入作为掺杂剂,生长一层 n 型层;然后降温到4iHS750800,同时通入 Ga 源、N 源、In 源,生长一层 InGaN 有源层;然后重新升高温度到 1050
