新型半导体材料GaN简介

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1、新型半导体材料GaNGaN的发展背景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）等性质和强的抗辐照能力，在光电子、高温大功 率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。在宽禁带半导体材料中，氮化镓由于受到缺乏合适的单晶衬底材料、位错密 度大等问题的困扰，发展较为缓慢，但进入90 年代后，随着材料生长和器件工 艺水平的

2、不断发展， GaN 半导体及器件的发展十分迅速，目前已经成为宽禁带半 导体材料中耀眼的新星。GaN 的特性具有宽的直接带隙、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）等性质和强的抗辐照能力，在光电子、高温大功率器件和高频微波器 件应用方面有着广阔的前景。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II V族化合物中是最高的（0.5或0.43 ）。在大气压力下， GaN 晶体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。在室温下，GaN 不溶于水、酸和碱，

3、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。GaN在HCL或H2气下，在高温下呈现不稳定特性，而在N2气下最为稳定。 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pn=600cm2/vs和pn=1500cm2/vs相应的载 流子浓度为n=4x1016/cm3和n=8x1

4、015/cm3。未掺杂载流子浓度可控制在1014 1020/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。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等人估算了一个带隙温度系数的经验公式：dE/dT= - 6.0x10 - 4eV/k。Mon emar 测定了基本的带隙为 3.503eV0.0005eV ,在 1.6kT 为 Eg=3.503+ （5.08x1

5、0- 4T2）/（T- 996） eV。GaN材料的优点与长处 禁带宽度大（3.4eV ），热导率高（1.3W/cm-K），则工作温度高，击穿电 压高，抗辐射能力强； 导带底在点，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）； 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

6、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AIGaN/GaN异质 结中可达到1013/cm2，这比AIGaAs/GaAs异质结中的高一个数量级），这对器 件工作很有意义。总之，从整体来看， GaN 的优点弥补了其缺点，特别是通过异质结的作用， 其有效输运性能并不亚于GaAs，而制作微波功率器件的效果（微波输出功率密度 上）还往往要远优于现有的一切半导体材料。GaN 器件制造中的主要问

7、题方面，在理论上由于其能带结构的关系，其中载流子的有效质量较大，输 运性质较差，则低电场迁移率低，高频性能差。另一方面，现在用异质外延（以蓝宝石和SiC作为衬底）技术生长出的 GaN单晶，还不太令人满意（这有碍于GaN器件的发展），例如位错密度达到 了 1081010/cm2 （虽然蓝宝石和SiC与GaN的晶体结构相似，但仍然有比较 大的晶格失配和热失配）；未掺杂GaN的室温背景载流子（电子）浓度高达 1017cm-3 （可能与N空位、替位式Si、替位式O等有关），并呈现出n型导电； 虽然容易实现n型掺杂（掺Si可得到电子浓度10151020/cm3、室温迁移率300 cm2/ V.s的n型G

8、aN ），但p型掺杂水平太低（主要是掺Mg ），所得空穴浓度 只有10171018/cm3，迁移率10cm2/V.s，掺杂效率只有0.1%1% （可能是H 的补偿和Mg的自身电离能较高所致）。GaN器件制造中的主要问题因为 GaN 是宽禁带半导体，极性太大，则较难以通过高掺杂来获得较好的金 属-半导体的欧姆接触，这是GaN器件制造中的一个难题，故GaN器件性能的好 坏往往与欧姆接触的制作结果有关。现在比较好的一种解决办法就是采用异质结， 首先让禁带宽度逐渐过渡到较小一些，然后再采用高掺杂来实现欧姆接触，但这 种工艺较复杂。总之，欧姆接触是GaN器件制造中需要很好解决的一个主要问题。GaN 的制

9、备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，可逆的反应方程式为：Ga + NH3=GaN + 3/2H2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。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

10、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，

11、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。GaN 的应用GaN 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/AIGaN双异质结超亮度蓝色LED、InGaN单量子阱GaNLED相继问世。目 前，Zed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

12、。蓝色发光器件在高密度光盘的信息存取、全光显 示、激光打印机等领域有着巨大的应用市场。随着对皿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,亥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525nm ,半峰宽为

13、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。在成功开发皿族氮化物蓝光LED之后，研究的重点开始转向皿族氮化物蓝光 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应 用前景。目前Nichia公司在GaN蓝光 LED

14、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GaInN/AlGaN多量子阱蓝光LED。Cree公司和Fujitsu公 司采用SiC作为衬底材料，开发皿族氮化物蓝光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

15、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。但这方面的研究还处于起步阶段。 GaN 探测器将在火焰探测、导弹预警等方面有重要应用。GaN的发展前景对于GaN材料，长期以来由于衬底单晶没有解决，异质外延缺陷密度相当高， 但是器件水平已可实用化。1994年日亚化学所制成1200mcd的LED，1995年又 制成Zcd蓝光(450nmLED )，绿光12cd(520nmLED);日本1998年制定一个采 用宽禁带氮化物材料开发LED的7年规划，其目标是到2005年研制密封在荧光 管内、

16、并能发出白色光的高能量紫外光LED，这种白色LED的功耗仅为白炽灯的 1/8，是荧光灯的1/2,其寿命是传统荧光灯的50倍 100倍。这证明GaN材料 的研制工作已取相当成功，并进入了实用化阶段。 InGaN 系合金的生成， InGaN/AIGaN双质结LEDnGaN单量子阱LEDnGaN多量子阱LED等相继开 发成功。InGaNSQWLED6cd高亮度纯绿茶色、2cd高亮度蓝色LED已制作出来， 今后，与AIGaP、AlGaAs系红色LED组合形成亮亮度全色显示就可实现。这样三 原色混成的白色光光源也打开新的应用领域,以高可靠、长寿命 LED 为特征的时 代就会到来。日光灯和电灯泡都将会被LED所替代。LED将成为主导产品,GaN 晶体管也将随材料生长和器件工艺的发展而迅猛发展，成为新一代高温度频大功 率器件。GaN 半导体材料的应用首先是在发光器件领域取得重大突破的。 1991 年， 日本日亚(Nichia )公司