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1、氮系化合物及其外延生长氮系化合物及其外延生长 化合物半导体材料生长与表征化合物半导体材料生长与表征 20162016春季春季 N系化合物系化合物 N系化合物系化合物 N系化合物系化合物 N系化合物系化合物 氮化物半导体晶体材料存在六方纤锌矿（氮化物半导体晶体材料存在六方纤锌矿（wurtzite）和）和 立方闪锌矿（立方闪锌矿（zinc-blende）两种不同的晶体结构）两种不同的晶体结构 GaN a轴：轴：0.3189nm c轴：轴：0.5185nm 0.451nm 热力学稳态结构热力学稳态结构 亚稳态结构亚稳态结构 N系化合物系化合物 氮化物材料的极化效应氮化物材料的极化效应 非中心对称晶体
2、，晶体具有极轴，纤锌矿结构氮化物的极轴即非中心对称晶体，晶体具有极轴，纤锌矿结构氮化物的极轴即c轴。氮化物半导轴。氮化物半导 体由于体由于III族原子和族原子和N原子之间的化学键具有很强的极性，存在强烈的原子之间的化学键具有很强的极性，存在强烈的自发极化效应自发极化效应。 在在GaN材料中，由于晶格常数比材料中，由于晶格常数比c/a小于理想因子小于理想因子1.633，导致极化矢量，导致极化矢量P1大于极大于极 化矢量化矢量P2（P1P2），产生的自发极化），产生的自发极化Psp与与0001方向相反，即为方向相反，即为000-1。 N系化合物系化合物 氮化物材料的极化效应氮化物材料的极化效应 通
3、常材料生长方向为通常材料生长方向为0001时称之为时称之为Ga面极性面极性（Ga面生长），产生的自发极化面生长），产生的自发极化 与生长方向相反；反之为与生长方向相反；反之为N面极性面极性（N面生长），自发极化与生长方向相同。面生长），自发极化与生长方向相同。 不同极性面的物理性质和化学性质，如与酸碱的反应、表面吸附、肖特基势垒和不同极性面的物理性质和化学性质，如与酸碱的反应、表面吸附、肖特基势垒和 异质界面能带带阶等方面，表现出明显的差异。异质界面能带带阶等方面，表现出明显的差异。 O. Ambacher, J. Phys. D: Appl. Phys. 31 (1998) N系化合物系化合
4、物 氮化物材料的极化效应氮化物材料的极化效应 在外加应力条件下，晶体中会因为晶格变形导致正负电荷中心分离，形成偶极矩。在外加应力条件下，晶体中会因为晶格变形导致正负电荷中心分离，形成偶极矩。 偶极矩的相互累加导致在晶体表面出现极化电荷，表现出偶极矩的相互累加导致在晶体表面出现极化电荷，表现出压电极化效应压电极化效应。 在在Ga极性面的氮化物晶体中，当外延材料受到双轴张应力时，材料结构单元晶极性面的氮化物晶体中，当外延材料受到双轴张应力时，材料结构单元晶 胞中金属阳离子与其下面的三个氮原子之间的键角胞中金属阳离子与其下面的三个氮原子之间的键角变大，这时由于金属阳离子与其变大，这时由于金属阳离子与
5、其 下面的三个氮原子之间的合极化矢量下面的三个氮原子之间的合极化矢量P2变小而使得整个结构单元中变小而使得整个结构单元中P1P2，进而在材，进而在材 料中产生一个料中产生一个000-1方向的压电极化。而当材料受到双轴压应力时，键角方向的压电极化。而当材料受到双轴压应力时，键角变小使得变小使得 合极化矢量合极化矢量P2增大，此时增大，此时P1P2，材料中产生一个，材料中产生一个0001方向的压电极化。方向的压电极化。 N系化合物系化合物 极性极性/非极性非极性/半极性材料半极性材料 c面面Ga面和面和N面统称为面统称为c面。面。c面氮化物材料是极性材料，外延材料薄膜的表面面氮化物材料是极性材料，
6、外延材料薄膜的表面 为极性面。为极性面。 a面、面、m面面与极轴（与极轴（c轴）平行，沿材料的生长方向没有极化效应，薄膜为非极轴）平行，沿材料的生长方向没有极化效应，薄膜为非极 性材料。性材料。 r面面与与c轴既不平行也不垂直，薄膜为半极性材料。轴既不平行也不垂直，薄膜为半极性材料。 N系化合物系化合物 量子限制斯塔克效应量子限制斯塔克效应 Quantum Confinement Stark Effect 极化效应有利于在电子器件中形成高密度二维电子气，但会造成电子和空穴在空极化效应有利于在电子器件中形成高密度二维电子气，但会造成电子和空穴在空 间上分离，使二者波函数的交叠变小。间上分离，使二
7、者波函数的交叠变小。 GaN/InGaN/GaN 量子阱量子阱 N系化合物系化合物第三代半导体第三代半导体 第一代半导体材料（第一代半导体材料（Si、Ge） 第一代半导体材料主要以硅、锗半导体材料为主，第一代半导体材料主要以硅、锗半导体材料为主，20世纪世纪50年代，年代， 锗在半导体中占主导地位，主要应用于低压、低频、中功率以及光锗在半导体中占主导地位，主要应用于低压、低频、中功率以及光 电探测器中，但锗半导体的耐高温和抗辐射性能比较差，到电探测器中，但锗半导体的耐高温和抗辐射性能比较差，到60年代年代 后期逐渐被硅器件取代。后期逐渐被硅器件取代。 第二代半导体材料（第二代半导体材料（GaA
8、s、InP） 20世纪世纪七八十年代七八十年代，随着，随着电子信息和光电子信息和光通信的飞速发展，以砷化镓、通信的飞速发展，以砷化镓、 磷化铟为代表的第二代半导体材料开始崭露头角。磷化铟为代表的第二代半导体材料开始崭露头角。 第三代半导体材料（第三代半导体材料（GaN、SiC） 第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度，更高的击穿电场，更高的第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度，更高的击穿电场，更高的 热导率，更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，更适合于制作热导率，更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，更适合于制作 高温、高频、抗辐射及大功率器件，通常又被称为宽禁带半导体材高温、高频、抗辐射及大功率
9、器件，通常又被称为宽禁带半导体材 料（禁带宽度大于料（禁带宽度大于2.2ev），亦称为高温半导体材料。从目前第三代），亦称为高温半导体材料。从目前第三代 半导体材料和器件的研究来看，较为成熟的是碳化硅和氮化镓半导半导体材料和器件的研究来看，较为成熟的是碳化硅和氮化镓半导 体材料，而氧化锌、金刚石、氮化铝等材料的研究尚属起步阶段。体材料，而氧化锌、金刚石、氮化铝等材料的研究尚属起步阶段。 N系化合物系化合物第三代半导体第三代半导体 Shizuo Fujita, Wide-bandgap semiconductor materials: For their full bloom, Japanese
10、 Journal of Applied Physics 54, 030101 (2015) N系化合物系化合物 Shizuo Fujita, Wide-bandgap semiconductor materials: For their full bloom, Japanese Journal of Applied Physics 54, 030101 (2015) N系化合物系化合物第三代半导体第三代半导体 N系化合物系化合物第三代半导体第三代半导体 相比于第一代和第二代半导体材料，相比于第一代和第二代半导体材料，III族氮化物具有如下特点：族氮化物具有如下特点： 极化效应强极化效应强。当两
11、种不同的材料组成异质结时，会由于自发极化和压电极化的不连续导致。当两种不同的材料组成异质结时，会由于自发极化和压电极化的不连续导致 在异质结界面处产生极化电荷。例如在异质结界面处产生极化电荷。例如0001晶向的晶向的AlGaN/GaN异质结中，极化效应大小的不异质结中，极化效应大小的不 连续会导致在异质结处产生正的极化电荷，其面密度可高达连续会导致在异质结处产生正的极化电荷，其面密度可高达1013 cm-2量级。正极化电荷对电量级。正极化电荷对电 子具有吸引作用，使得子具有吸引作用，使得AlGaN/GaN异质结不用掺杂就可以实现很高的二维电子气异质结不用掺杂就可以实现很高的二维电子气(2DEG
12、) 密密 度。由于不用掺杂，度。由于不用掺杂，2DEG不会受到电离杂质散射的影响，有利于制备高电子迁移率晶体管不会受到电离杂质散射的影响，有利于制备高电子迁移率晶体管 (HEMT)。 稳定性好稳定性好。III族氮化物，特别是族氮化物，特别是GaN和和AlN，具有耐高温、不易腐蚀、热导率好、抗辐照能，具有耐高温、不易腐蚀、热导率好、抗辐照能 力强、以及击穿电压高等特点，使其成为工作在高温、大功率以及极端环境下的器件的理想力强、以及击穿电压高等特点，使其成为工作在高温、大功率以及极端环境下的器件的理想 选择。选择。 禁带宽宽可调范围大禁带宽宽可调范围大。稳定相的。稳定相的AlN、GaN和和InN均
13、为直接带隙半导体，其室温下禁带宽度均为直接带隙半导体，其室温下禁带宽度 分别为分别为6.2 eV、3.39 eV和和0.7 eV。将两种或三种材料组成三元或四元合金，可以实现材料的。将两种或三种材料组成三元或四元合金，可以实现材料的 禁带宽度从禁带宽度从0.7 eV到到6.2 eV连续可调，相应的光谱覆盖了整个可见光波段以及一部分的近红外连续可调，相应的光谱覆盖了整个可见光波段以及一部分的近红外 和紫外波段，非常有利于研制多种工作波长的光电器件，如发光二极管、半导体激光器、光和紫外波段，非常有利于研制多种工作波长的光电器件，如发光二极管、半导体激光器、光 电探测器以及太阳能电池等。电探测器以及
14、太阳能电池等。 N系化合物系化合物HEMT AlGaN/GaN异质结异质结HEMT器件结构图器件结构图 N系化合物系化合物HEMT 相对相对Si 以及以及GaAs 材料来说，新一代氮化物材料自身存在着很强的极化材料来说，新一代氮化物材料自身存在着很强的极化 效应，使得效应，使得AlGaN/GaN、InAlN/GaN 异质结在不掺杂的情况下，沟道中都异质结在不掺杂的情况下，沟道中都 存在高浓度的二维电子气，其面密度可高达存在高浓度的二维电子气，其面密度可高达1013cm-2，比，比AlGaAs/GaAs 系系 统高了一个数量级。统高了一个数量级。 目前大家广泛认为目前大家广泛认为AlGaN/Ga
15、N 异质结沟道中的二维电子气来源于异质结沟道中的二维电子气来源于 AlGaN 表面的离化施主表面态。表面的离化施主表面态。 N系化合物系化合物应用应用 N系化合物系化合物功率器件功率器件 氮化物氮化物HEMT器件的宽禁带、高击穿场强、高密度二维电子气、高迁移率的特性器件的宽禁带、高击穿场强、高密度二维电子气、高迁移率的特性 组合对于功率开关应用来说意味着高阻断电压和低导通电阻，继而可以在更高的电压、组合对于功率开关应用来说意味着高阻断电压和低导通电阻，继而可以在更高的电压、 电流以及温度下工作。电流以及温度下工作。 实际应用场合包括光伏逆变器、电网逆变器、电机逆变器等。实际应用场合包括光伏逆变
16、器、电网逆变器、电机逆变器等。 N系化合物系化合物射频器件射频器件 Civilian and Military Radar High Power Amplifiers N系化合物系化合物射频器件射频器件 N系化合物系化合物射频器件射频器件 几种材料射频功率器件的性能比较几种材料射频功率器件的性能比较 N系化合物系化合物射频器件射频器件 几种材料射频功率器件的性能比较几种材料射频功率器件的性能比较 N系化合物系化合物LED GaAsP InGaN/GaN Shizuo Fujita, Wide-bandgap semiconductor materials: For their full bloom, Japanese Journal of Applied Physics 54, 030101 (2015) N系化合物系化合物LED N系化合物系化合物LED Shizuo Fujita, Wide-bandgap semiconductor materi
