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1、打分表：选题范围20%内容创新及价值40%文字撰写水平20%格式规范情况20%总分说明：红色部分为需撰写内容。化学科学概论研究型学习课程论文来自未来的半导体-氮化镓徐鹏威 (机械1401班) 摘要：本文对氮化镓的特性及应用的相关信息进行查询。将找到的信息 进行分类总结，并提出自己对它的发展的一种展望 关键词：氮化镓；半导体；特性；应用；发展前景一、引言在环球科学2015 年1月刊中有一篇文章“设计柔性显示屏”中说到一种 可以替代易碎屏幕的柔性LED。科学家首先在超薄石墨烯衬底上生长了一层氮 化镓(gallium nitride)缓冲层，随资讯沃尔沃推出可折叠太阳能充电伞后再在缓 冲层上生长出垂
2、直排列的氮化镓微米棒。氮化镓是一种发光晶体材料，而石墨烯 则由一层碳原子构成，具有很好的柔韧性、导电性和机械强度。接下来，他们把 这些石墨烯一LED层从原来的铜基底上剥离下来，转移到柔韧的聚合物上 这就得到了可弯曲显示屏的雏形。这些东西勾起了我对氮化镓的兴趣，进一步的研究，发现它的能力还不止于 此，在未来它必将绽放耀眼的光芒。二、氮化镓的出身2.1 氮化镓的简介这是一种具有较大禁带宽度的半导体，属于所谓宽禁带半导体之列。它是微 波功率晶体管的优良材料，也是蓝色光发光器件中的一种具有重要应用价值的半 导体。2.2 氮化镓的制备MOCVD (金属有机物气相沉积法)是在气相外延生长的基础上发展起来
3、的一种新型气相外延生长 技术。在采用 MOCVD 法制备 GaN 单晶的传统工艺 中，通常以三甲基镓作为镓源，氨气作为氮源，以蓝宝石(A12O3)作为衬底，并 用氢气和氮气这种两种 气体的混合气体作为载气，将反应物载入反应腔内， 加 热到一定温度下使其发生反应，能够在衬底上生 成 GaN 的分子团，在衬底表 面上吸附、成核、生长， 最终形成一层 GaN 单晶薄膜。采用 MOCVD 法制 备 的产量大，生长周期短，适合用于大批量生产。但 生长完毕后需要进行退火 处理，最后得到的薄膜可 能会存在裂纹，会影响产品的质量。电化学法: 欲将 GaN 薄膜转化成纳米形态，可以使用电化 学法。该方法先将制备
4、好的GaN薄膜采用电子束蒸发法在其表面沉积12 m的铝膜，呈现出灰色光滑的镜面。再对铝膜进行阳极氧化处理，可以制备出多孔状的AAO掩模。然后将掩模的GaN材料置于等离子体刻Source RPCeramic* 钿 dowVechanical cLampingMuki-pQlar wagncdc confinemenT &. chamber 君蚀机中在氯气与惰性气体混合的气氛下进行510 min的ICP刻蚀，ICP功率和RF功率分别为400 W和150 W,腔压约0.5 Pa,刻蚀完成后可以得到纳米尺度的多孔GaN。此方法的技术要求较高，合成出的纳米GaN质量也较 好。三、氮化镓的特性3.1基础特
5、性化学方面：在室温下，GaN不溶于水、酸和碱，而在热的碱溶液中以非常 缓慢的速度溶解。NaOH、H2SO4和H3PO4能较快地腐蚀质量差的GaN，可用 于这些质量不高的 GaN 晶体的缺陷检测。电学方面：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4Xl016/cm3。一般情况下所制备的P型样品，都是高补偿的。GaN最高 迁移率数据在室温和液氮温度下分别为pn=600cm2/vs和pn二1500cm2/vs, 相应的载流子浓度为n=4XlO16/cm3和n=8XlO15/cm3。近年报道的MOCVD 沉积GaN层的电子浓度数值为4 Xl016/cm3、1016/c
6、m3;等离子激活MBE的 结果为8XlO3/cm3、1017/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10111020/cm3范围。3.2关键特性禁带宽度大（34eV）,热导率高（1.3W/cm-IK）,在室温下带隙宽为3.39eV, 具有优良的光、电学性质和优异的机械性质及热稳定性，理想的短波长发光器件 材料，GaN及其合金的带隙覆盖了从红色到紫外的光谱范围导带底在r点，而且与导带的其他能谷之间能量差大，则不易产生谷间散射, 从而能得到很高的强场漂移速度（电子漂移速度不易饱和），因此具有低
7、的热产 生率和高的击穿电场。GaN易与AIN、InN等构成混晶，能制成各种异质结构，已经得到了低温下 迁移率达到105cm2/Vs的2-DEG （因为2-DEG面密度较高，有效地屏蔽了光学 声子散射、电离杂质散射和压电散射等因素）；晶格对称性比较低（为六方纤锌矿结构或四方亚稳的闪锌矿结构），具有很 强的压电性（非中心对称所致）和铁电性（沿六方c轴自发极化）：在异质结界 面附近产生很强的压电极化（极化电场达2MV/cm）和自发极化（极化电场达 3MV/cm）,感生出极高密度的界面电荷，强烈调制了异质结的能带结构，加强了对2-DEG的二维空间限制，从而提高了 2-DEG的面密度（在AlGaN/Ga
8、N异质结中可达到1013/cm2，这比AlGaAs/GaAs异质结中的高一个数量级），这对o图E器件工作很有意义耳n:.四、氮化镓的应用4.1LED柔性显示屏莊衬底氮化傭基LF2制侖技术的最新进展氮化镓植于石墨烯可制成随意折叠变形的 LED 材料目前，许多由有机材料制造的电子和光电子材料都具备良好的柔韧度，易于改 变形状。与此同时，不易形变的无机化合物在制造光学、电气和机械元件方面 展现出了强大的性能。但由于技术原因，二者却很难优势互补，功能优异的无 机化合物半导体也因不易塑形的特点而遇到了发展障碍。正是因为氮化镓与石 墨烯的结合，部分实现了强强联合这一理想目标，一种能“变形”的发光二极 管（
9、LED）材料已经诞生。将这种特制而成的氮化镓LED细棒植入石墨烯表面 进行了测试，结果发现，这种能弯曲的 LED 在通电后具有优异且可靠的发光 能力，甚至在 1000 次弯折测试后，材料的发光性能依旧没有明显的退化。也 许不久后，可随意折叠变形的 LED 屏幕就会出现在大街小巷，甚至穿戴在我 们自己身上。4.2新型电力使用今天，我们用电线为愈来愈多需要电力供电的小工具提供电源。我们经常 随时、随身携带这些产品，但正如我们所知道的，它们的电池必须要经常频繁 地充电。在 2015 年，采用 GaN 技术的无线充电系统将可以无线的方式来提供 能量，为手机和平板计算机充电。在未来 5 年到 10 年，
10、因可将薄薄的传输线 圈整合进建筑物的地砖和墙壁中，所以也可一并省去对墙壁电插座的需求！当一台电动汽车停在一个嵌有发射线圈的楼层时，就是利用这种相同的技 术来充电，而它们早已引进使用。目前有一个正在进行中的计划，它将把无线 充电器嵌进到公车站中，在公交车在公车站停留的一分钟中，便可充足再开一 英里的电，而开往下一站。GaN 技术可以在安全的频率上实现高效的电力传输，这对硅晶体管而言， 是一件艰难的工作。将GaN技术带到更高的电压和更高的频率，可以扩展无线电力传输的距离。4.3更先进的医疗技术的进展也带来了医疗上长足的进步。在一些领域，像是植入系统、成像、和精品人造器官等，在技术上都有重大的发展，
11、这些都是因为 GaN 技术的出现而实现 的。无线充电早已经对植入系统（如心脏泵）的发展产生重大影响。成像技术也 以极快的速度在改善！由于采用氮化镓场效应晶体管和集成电路的更小和更有效 之检测线圈的发展，而让 MRI 机器的分辨率可以大幅改善。也由于今天的氮化 镓场效应晶体管的体积已小到足以放进内部有微缩成像系统的食用药锭中，而让 结肠镜检查诊断成为过去式。藉由早期预警和非侵入性的诊断，这一类的非侵入 性的突破可大幅地降低医疗成本。由于我们把整个系统整合在一氮化镓芯片，小 型化和影像分辨率进一步改善了医疗照护的标准，同时，也把医疗费用降下来了。五、结束语氮化镓基材料是很有希望的半导体材料氮化。镓
12、基材料的优异特性通过半 个多世纪半导体技术，尤其是材料外延技术的发展而逐步得到开发利用，特别是 在短波光电子器件以及高温大功率微波器件方面。科学家目前已经做出了氮化镓 基高亮度的可见光以及紫外光发光管和激光器、高性能的紫外光探测器和高温高 功率高频晶体管。氮化镓基发光管世界年销售量近 10 亿只此外氮化镓基材料的 垂直腔面发射 激光器分布反馈激光器等也在发展之中目前在氮 化镓基材料和 器件制备方面尚存在一些问题诸如 1材料的高缺陷密度2与 p GaN 相关的高串 联电阻问题影响制备氮化镓基 HBT 等器件 3 材料缺乏解理面不利于做端面发 射激光器 4 材料器件成本高影响某些应用，如取代白炽灯照明等 参考文献：1 李国强. 第三代半导体材料二十一世纪 IT 产业新的发动机 J. 新材料产业，2002,6:14-17.2 卢佃 清，修向前 .GaN 氢化 物气相外延 生长系统的 设计与制作 J. 物 理实 验， 2006,3:16-18. 吴玉新，薛成山，庄惠照，等，sol-gel法制备GaN纳米棒的研究J.电子元件与材料, 2005,11:13-15.4
