《氮化镓基半导体材料及应用(共6篇)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《氮化镓基半导体材料及应用(共6篇)（24页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划氮化镓基半导体材料及应用(共6篇)氮化镓半导体材料发展现状氮化镓基半导体材料是继硅和砷化镓基材料后的新一代半导体材料，被称为第三代半导体材料，它具有宽的带隙，优异的物理性能和化学性能，在光电子领域具有广泛的应用前景和研究价值。用GaN基高效率蓝绿光LED制作的超大屏全色显示，可用于室内室外各种场合的动态信息显示。作为新型高效节能固体光源，高效率白光LED使用寿命超过10万小时，可比白炽灯节电510倍，达到节约资源、减少环境污染的双重目的。GaN基LED的成功，引发了光电行业中的革命，
2、发出蓝光和紫外线的氮化镓激光器也被用于高密度的DVD内，大大促进了音乐、图片和电影存储技术的发展。利用GaN材料，还可以制备紫外光探测器，它在火焰传感、臭氧检测、激光探测器等方面具有广泛应用。在电子器件方面，利用GaN材料，可以制备高频、大功率电子器件，有望在航空航天、高温辐射环境、雷达与通信等方面发挥重要作用。例如在航空航天领域，高性能的军事飞行装备需要能够在高温下工作的传感器、电子控制系统以及功率电子器件等，以提高飞行的可靠性，GaN基电子器件将起着重要作用。此外由于它在高温工作时无需制冷器而大大简化电子系统，减轻了飞行重量。本报告针对氮化镓材料相关专利进行检索和分析，并结合有关报道分析技
3、术发展现状，通过对氮化镓领域的专利分析揭示该领域当前的专利活动特点，为科技决策和课题研究提供支持。检索数据来源于美国汤森路透科技公司的DerwentInnovationIndex数据库，利用关键词设计检索策略，共计检出相关专利23234项，数据检索日期为XX年6月30日。所采用的主要分析工具为TDA、TI和Innography。氮化镓专利数量趋势分析氮化镓专利申请已有50多年历史，最早是1963年由美国柯达公司申请的。遗憾的是，由于受到没有合适的单晶衬底材料、位错密度较大、n型本底浓度太高和无法实现p型掺杂等问题的困扰，氮化镓曾被认为是一种没有希望的材料，因而发展十分缓慢。直到1989年，松下
4、电器公司东京研究所的赤崎勇和弟子天野浩在全球首次实现了蓝光LED；1993年，日本日亚化学工业公司的中村修二克服了两个重大材料制备工艺难题：高质量GaN薄膜的生长和GaN空穴导电的调控，独立研发出了大量生产GaN晶体的技术，并成功制成了高亮度蓝色LED。因此，20世纪90年代后，随着材料生长和器件工艺水平的不断发展和完善，GaN基器件的发展十分迅速，专利数量快速增长，进入发展的黄金时期。XX年-XX年，氮化镓专利数量的增长较为缓慢，甚至出现专利量减少的情况，但XX年开始，专利数量又急剧增加，这种变化可能显示在该时间曾经出现了一个技术上的突破或者关键进展。由此来看，GaN材料在未来几年内可能又会
5、形成一次研究热潮。美国和日本在GaN的研究上起步较早。20世纪90年代左右，日本率先克服了GaN材料制备工艺中的难题，掌握了生产高质量GaN薄膜的技术，随后引发了GaN领域的研究热潮，专利数量急剧增加；美国则比日本晚了5年左右，但随着技术的不断创新，美国与日本的差距逐渐减小，XX年美国的专利数量赶超了日本。中国和韩国均是20世纪90年代以后才有了专利申请，由于此时技术上已经突破了瓶颈，因此专利数量增长较快，逐渐在国际上占据了一席之地。氮化镓专利区域布局分析GaN材料的大部分专利掌握在四个国家手中，其专利数量占据了全球专利总量的90%之多，分别是日本、美国、中国、韩国。四大主要专利来源国在国际市
6、场均有不同程度的专利布局，日本在美国的专利申请比例高达%，美国在WO和日本的专利申请比例分别达到%和%，韩国在美国的专利申请比例高达%。中国在国外也有较多的专利布局，但比例与其他三个国家相差较远。氮化镓专利技术领域布局分析基于德温特手工代码的统计，对氮化镓专利涉及的器件类型和加工工艺进行分析。1.器件类型根据对MC的统计，氮化镓专利涉及到的器件类型主要有发光二极管、场效应晶体管、激光二极管、二极管、太阳能电池等。其中FET涉及多种类型的器件：IGFET、HEMT、MOSFET、bipolartransistor、JFET、MISFET、IGBT等。二极管主要涉及整流二极管、光电二极管等。2.加
7、工工艺半导体器件加工方面涉及的主要技术有：电极、沉积方法、介电层、外延生长、刻蚀、掺杂、欧姆接触、封装、退火等。其中沉积方法主要是化学气相沉积，共涉及一千余项专利，外延生长大都用CVD方法。刻蚀工艺主要有光刻蚀、化学刻蚀、等离子刻蚀、离子束刻蚀等。欧姆接触在金属处理中应用广泛，实现的主要措施是在半导体表面层进行高掺杂或者引入大量复合中心，所用方法主要是离子注入。核心技术氮化镓半导体研究一物理背景自20世纪60年代，发光二极管(LightEmittingDiode，LED)的发展非常迅速，它具有体积小、耐冲击、寿命长、可靠度高与低电压低电流操作等优良的特性，适用于在各种环境的使用，而且符合未来环
8、保节能的社会发展趋势。初期的以砷化镓(GaAs)、铝铟磷镓(AIGalnP)材料为基础之发光二极管，实现了红光至黄绿光波段的电激发光。近年来，以氮化镓(GaN)为代表的新一代半导体材料技术上氮化镓半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场高、电子饱和漂移速度高、介电常数小、抗辐射能力强和良好的化学稳定性等独特的特性，在光显示、光存储、光探测等光电子器件和高温、高频大功率电子等微电子器件领域有广阔的应用前景，其中最引人瞩目的是作为发光材料的应用，由于氮化镓能与氮化铟(INN)和氮化铝(AIN)形成三元或四元化合物，如此借着改变IlI族元素的比例，便能使发光波长涵盖红外光到紫外光的范围，另外将发蓝光的氮化
9、镓基发光二极管配以可激发出黄绿光的荧光粉，从而混合发出白光，应用前景非常广泛，除了应用于指示灯、灯饰、手电筒等普通市场，氮化镓基发光二极管还应用于手机及手提电脑背光源、交通灯、户外全彩显示屏等市场，但氮化镓基发光二极管最有前景的应用还是在普通照明市场。二GaN的应用高效节能、长寿命的半导体照明产品正在引领照明业的绿色变革。随着第三代半导体材料氮化镓的突破和蓝、绿发光二极管的问世，世界各国纷纷投入巨资推出国家级半导体照明计划。GaN属宽禁带半导体，直接带隙34eV，在长寿命、低能耗、短长半导体发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、紫外探测器以及高温微电子器件等方面有广阔的应用前景,GaN器件
10、的广泛应用将预示着光电信息乃至光子信息时代的来临，因此，以GaN为代表的第三代半导体材料被誉为信息产业新的发动机。GaN基半导体材料，包括GaN、A1N和InN，都是直隙半导体材料，因而有很高的量子效率。用GaN、A1N和InN这三种材料按不同组份生成的固溶体，其禁带宽度可在O7eV到62eV之间变化。这样，用这些固溶体制造发光器件，是光电集成材料和器件发展的方向，其主要应用领域包括：(1)当前在国内外非常受人瞩目的半导体照明是一种新型的高效、节能和环保光源，将取代目前使用的大部分传统光源，被称为21世纪照明光源的革命，而GaN基高效率、高亮度发光二极管(LED)的研制是实现半导体照明的核心技
11、术和基础。以LED为代表的半导体光源，具有节能、长寿命、免维护、环保等优点，目前己被广泛的应用于大屏幕平板显示和交通信号灯以及显示指示灯，并逐渐向通用照明领域发展，目前实验室水平的白光LED发光强度已经达到131lmw。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，目前流行的CD、DVD的激光读写头分别采用波长为780nm、650nm的AIGaAsAIGalnP材料，存储容量分别为700MB，47GB。若用波长为410rim的InGaNGaN蓝光激光器代替，光盘的存储容量将高达27GB，将会成为光存储和处理的主流技术。适合制作紫外探测器件。当在强可见光和红外辐射背景中
12、探测紫外信号时，要尽量避免或减少紫外信号以外的背景信号干扰。以GaN做成的紫外探测器，克服了Si探测器在紫外波段探测效率低、需要复杂的滤光系统等弱点。而氮化物特别是AIGaN，可以制成日光盲紫外探测器，其截止波长为200356nm。在这个范围的探测器可以用于火焰探测、燃烧诊断、光谱学和紫外监视，AIGaN探测器还有重要的军事用途，可用于导弹制导和导弹预警防御系统。(4)由于GaN基材料有禁带宽度大、击穿电压高、电子饱和速率高、热稳定性好、抗腐蚀性强等优点，被广泛用于制作高电子迁移率晶体管、双极晶体管、场效应晶体管等微电子器件，适合在高温、大功率及恶劣环境下工作?11。高温、高频、高功率微波器件
13、是无线通信、国防等领域急需的电子器件，如果目前使用的微波功率管的输出功率密度提高一个数量级，微波器件的工作温度提高到300，将解决航天航空用电子装备和民用移动通信系统的一系列难题。三.GaN的制备方法由于GaN体单晶非常难以获得，即便是已有一些研究报道对GaN体单晶生长取得了一定进展，但它们的质量还无法达到作衬底的要求。因此现今对GaN的研究都集中在以异质材料(如A1203、SiC、Si等)为衬底的外延生长薄膜上。随着异质外延技术的进步，现在已经可以在特定的衬底材料上外延生长获得质量优良的GaN外延层，这也使得GaN材料体系的应用得到了迅速发展，异质外延技术成为了制备GaN薄膜的主要方法。生长
14、工艺GaN的外延生长一般有以下几种工艺：金属有机化学气相沉积(MetalOrganicChemicalVaporDeposition)，分子束外延(MolecularBeamEpitaxy)，卤化物气相外延(HydrideVaporPhaseEpitaxy)，此外还有比较新颖的横向外延过生长(LateralEpitaxiallyOvergrown)以及悬空外延(PE)等工艺。其中MOCVD和MBE是制各GaN及其相关多层结构薄膜的两大主流技术，它们各有独自的特点。然而从实用商品化技术方面考虑，MOCVD方法由于其设备相对简单、造价相对较低、生长速度快等特点成为了外延生长GaN最主流的方法。本文
15、所研究的GaN均采用MOCVD方法制备，因此这里只以其为例作简要介绍。金属有机化学气相沉积法(MOCVD)MOCVD又称MOVPE(金属有机气相外延)。MOCVD法用III族元素的有机化合物和V族元素的氢化物作为原材料，通过氢气或氮气等载运气体带入反应室在高温加热的衬底上外延成化合物单晶薄膜。反应时的关键是避免有机分子中的C沉积下来污染样品。MOCVD生长的优点是：(1)金属有机分子一般为液体，可以通过精确控制流过金属有机分子液体的气体流量来控制金属有机分子的量，控制形成的化合物的组分，易于通过精确控制多种气体流量来制备多组元化合物：(2)易于掺杂，MOCVD从气相可实现原位掺杂；(3)易于通
16、过改变气体制备界面陡峭的异质结或多层不同组分的化合物；(4)可以通过改变III族源气体流量在O0510ummin的大范围内控制化合物的生长速度。此外，MOCVD方法具有产量大、生长周期短的特点，到目前为止，它是唯一实现产业化生产GaN基器件的制备方法。ZnO和GaN具有相近的晶格结构，二者都具有六方纤锌矿结构，口轴和c轴晶向的失配率分别仅为19和O4，所以ZnO的一个重要应用就是作为GaN薄膜生长的缓冲层同时ZnO纳米材料也是研究的热点之但当用氨气作为GaN生长的反应气体时，高温下ZnO会在氨气气氛中挥发，所以应用ZnO作缓冲层时一般在较低温度下生长GaN薄膜实验中在900下通过氨化ZnOGaO。薄膜合成出六方纤锌矿结构的
