GaN在光电子器件中的应用

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1、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1700C, 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

2、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A1 Ga N, In Ga N x 1-x x 1-x 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AlGaN/InGaN的掺杂，从而获得了高 质量GaN-AlGaN异质结和AlGaN 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。

3、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

4、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。第二章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。2.1 GaN 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

5、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。2.2 GaN 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4x1016/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n=600cm2/vs和n= 1500cm2/vs 相应 的载流子浓度为n=4x1016/cm3和n=8x

6、1015/cm3。近年报道的MOCVD沉积 GaN层的电子浓度数值为4 x1016/cm3、v1016/cm3；等离子激活MBE的结果 为 8x103/cm3、v1017/cm3。未掺杂载流子浓度可控制在10141020/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。2.3 GaN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

7、隙温度系数的经验公式： dE/dT=6.0x104eV/k。Monemar测定了基本的带隙为3.503eV0.0005eV, 在 1.6kT 为 Eg=3.503+(5.08x104T2)/(T996) 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，

8、 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：GaNH3=GaN3/2H2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(PEMOCVD)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APMOCVD，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

9、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

10、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550C,首先生长250A0左右的GaN缓冲层，而后在1050C 生长完美的GaN单晶材料。对于Si衬底上生长GaN单晶，首先在1150C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/minTMGa： 20ymol/minV/III=6500N2： 3 4L/minH2： 21L/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 800C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

11、Zn 作掺杂剂，DeZ2n/TMGa=0.15，生长温度为950C，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 TWOFLOWMOCVD(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

12、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aA12O3基板(C面)生长的GaN膜，电子载 流子浓度为lxlO18/cm3,迁移率为200cm2/vs,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

13、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 In Ga N。x 1-xGaN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。

14、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525n

15、m，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

16、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GalnN/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。