材料物理報告

GaN—第三代半導體的曙光報告人：徐琿組員：吳西士顧文魏紹娟目錄研究背景1GaN結(jié)構(gòu)和性能2GaN制備方法3GaN應用4結(jié)論與展望5研究背景半導體材料第三代：以GaN、SiC為代表的寬帶隙

化合物

第二代：以GaAs、InP為代表的化合物第一代：以Si、Ge為代表以硅和鍺為代表的第一代半導體材料的研究已經(jīng)非常完善，并且應用廣泛，硅材料是電子信息產(chǎn)業(yè)中最主要的材料，但其帶隙較窄，而且是間接帶隙半導體，發(fā)光效率比較低，制約了其在光電子和高頻率、大功率器件等領域的應用。作為第二代半導體材料代表的GaAs、InP，帶隙和能帶結(jié)構(gòu)都比第一代半導體材料更有優(yōu)勢，目前主要應用在要求高速和高發(fā)光效率的光電子領域等。為了制造更大功率的發(fā)光器件，實現(xiàn)三原色所必需的藍色和高密度的存儲設備，人們越來越關注禁帶寬度大，直接帶隙的材料，這就是第三代半導體材料。研究背景同第一代、第二代半導體材料相比，它具有禁帶寬度大、電子遷移率大、抗高溫、抗輻射等特點，非常適合制作高溫、高頻和大功率電子器件以及藍綠光、紫外光發(fā)光器件和光探測器件等。研究背景氮化鎵砷化鎵硅應用于光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應用到于光纖通訊，主要解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}主要解決數(shù)據(jù)運算、存儲的問題研究背景WOS核心合集中關于GaN材料的文章發(fā)表情況關于GaN材料排名前十的國家情況研究背景GaN結(jié)構(gòu)和性能GaN基本結(jié)構(gòu)

GaN可以結(jié)晶形成三種晶體結(jié)構(gòu)：纖鋅礦(六方相)結(jié)構(gòu)、閃鋅礦(立方相)結(jié)構(gòu)和巖鹽(NaCl結(jié)構(gòu))結(jié)構(gòu)，如圖2-1所示。在大氣壓力下，GaN晶體一般是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。圖2-1GaN材料的三種基本結(jié)構(gòu)光學性質(zhì)GaN基材料屬于Ⅲ/Ⅴ族半導體，是繼Si基半導體和GaAs、InP基半導體之后的新一代寬禁帶半導體材料。GaN基材料屬于直接帶隙半導體材料，因此非常適合制作發(fā)光器件。OECEV能量OECEV能量能量動量能量動量直接帶隙情況間接帶隙情況GaN結(jié)構(gòu)和性能光學性質(zhì)材料禁帶寬度與發(fā)光波長的對應關系人們關注的GaN的特性，旨在它在藍光和紫光的應用。Maruska和Tietjen首先精確地測量了GaN直接隙能量為3.39eV。另外，GaN與其同系的AlN、InN的禁帶寬度分別為3.4eV、6.2eV和0.7eV。在GaN材料中摻入Al、In組成的三元或者四元半導體材料應用于發(fā)光材料與器件，其發(fā)光波長范圍可以從遠紅外線一直覆蓋到紫光，甚至是深紫外波段。當前的大部分研究中一般使用InGaN材料作為有源區(qū)來發(fā)射藍綠光，并且取得了很高的發(fā)光效率。而AlGaN材料在深紫外波段方面的應用也表現(xiàn)出很大的優(yōu)勢和潛質(zhì)。電學性質(zhì)未有意摻雜的GaN在各種情況下都呈n型，最好的樣品的電子濃度約為4×1016/cm3。一般情況下所制備的P型樣品，都是高補償?shù)?。GaN具有很高的電子飽和漂移速度。中村報道了GaN最高遷移率數(shù)據(jù)在室溫和液氮溫度下分別為μn=600cm2/v·s和μn=1500cm2/v·s，相應的載流子濃度為n=4×1016/cm3和n=8×1015/cm3。近年報道的MOCVD沉積GaN層的電子濃度數(shù)值為4×1016/cm3、<1016/cm3；等離子激活MBE的結(jié)果為8×103/cm3、<1017/cm3。GaN擊穿電場比其它半導體材料高，可在更高的偏置電壓下工作，能滿足高功率的工作要求。高頻特性，可以達到300GHz（硅為10G，GaAs為80G），大功率器件GaN結(jié)構(gòu)和性能GaN制備方法GaN和GaN基半導體材料已經(jīng)成為了世界各國研究的熱點。GaN的合成與制備方法是目前GaN的主要研究對象之一，單晶氮化鎵薄膜和納米氮化鎵的合成方法是研究的重中之重。

20世紀30年代Johnson等就采用金屬稼(Ga)和氨氣(NH3)反應得到了GaN小晶粒和粉末。

最早出現(xiàn)的是氫化物氣相外延(HVPE)，隨后是金屬有機氣相沉積(MOCVD)和分子束外延(MBE)。襯底的選擇：不同的襯底會影響GaN外延層的晶體結(jié)構(gòu)和光學性能[1]，目前，使用藍寶石襯底較多[2]，同時也有Si、SiC、

Al2O3和LiAlO2襯底等。[1]H.M.Kim,T.W.Kang,J.E.Oh.ComparisonofHVPEGaNfilmsandsubstratesgrownonsapphireandonMOCVDGaNepi-layer[J],MaterialsLetters,2000,46:286–290[2]H.Asahi,H.Tampo,H.Hiroki.GassourceMBEgrowthofGaN-relatednovelsemiconductors[J],MaterialsScienceandEngineering,2000,B75:199–203.GaN制備方法鹵化物汽相外延(HVPE)1967年Maruska和Tietjen在世界上第一次用HVPE技術在藍寶石襯底上制備出大面積的GaN外延層。賈婷婷，林輝，周圣明等．異質(zhì)襯底上HVPE法生長GaN厚膜的研究進展［J］，人工晶體學報，2009，38(2)：501-505．

采取HVPE法可在30×30mm2的GaN襯底上生產(chǎn)出400-450μm的GaN晶圓，用機械分離的技術即可剝離。HVPE法易實現(xiàn)P型和n型摻雜，與MBE和MOCVD相比生產(chǎn)成本低，但由于其生長速率快將導致薄膜厚度難控，因而只適合作為MBE和MOCVD的輔助方法。金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)

以III族、II族元素的有機化合物和V族、VI族元素的氫化物作為晶體生長源材料，以熱分解方式在襯底上進行氣相外延。MOCVD過程中，改變溫度等參數(shù)，會使制得的LED的發(fā)射光主峰位置發(fā)生移動。優(yōu)點：（1）精確控制氣體流量來控制外延層組分、導電類型、載流

子濃度、厚度等；（2）氣體流速快，切換迅速，使雜質(zhì)分布陡峭；（3）可以同時生長多片(目前最多可以同時生長55片2英寸)，

產(chǎn)量高；（4）原位監(jiān)控系統(tǒng)可以實時了解生長情況。分子束外延(MBE)在超高真空腔內(nèi)，源材料通過高溫蒸發(fā)、輝光放電離子化、氣體裂解，電子束加熱蒸發(fā)等方法，產(chǎn)生分子束流。入射分子束與襯底交換能量后，經(jīng)表面吸附、遷移、成核、生長成膜。監(jiān)控設備可對表面凹凸、起伏、原子覆蓋度、黏附系數(shù)、蒸發(fā)系數(shù)及表面擴散距離等生長細節(jié)進行精確監(jiān)控。[1]MaheshKumara，AppliedSurfaceScience,2011,257:2107-2110.優(yōu)點：MBE技術具有生長溫度低，不需要任何后處理即可得到p型GaN。缺點：尚處于發(fā)展的早期階段，有許多問題有待研究。主攻方向為降低背景電子濃度、提高材料的光電質(zhì)量等。其他方法雖然以上三種技術日漸成熟，人們也通過改變襯底，增加多緩沖層等方法對工藝進行改善，但缺乏合適的襯底，晶格失配、熱失配等問題仍制約著GaN材料的制備。運用選擇性生長技術，即側(cè)向外延過生長技術簡稱ELOG或ELO生長GaN外延層的方法，位錯密度可降低至約104cm-2，還存在窗口區(qū)位錯密度高、晶向傾斜、低角度晶界等問題，但在當前尚無GaN襯底情況下是非常有用的。光電器件

發(fā)光二極管(LED)

激光二極管(LD)

紫外探測器

電子器件異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)異質(zhì)結(jié)場效應晶體管(HFET)GaN應用光電器件光電導器件利用半導體光敏特性工作的光電導器件，利用半導體光生伏特效應工作的光電池和半導體發(fā)光器件等統(tǒng)稱為光電器件。半導體材料的電導率是由載流子濃度決定的。載流子就是由半導體原子逸出來的電子及其留下的空位-----空穴。電子從原子中逃逸出來，必須克服原子的束縛力而做功，而光照正是向電子提供能量，使它有能力逃逸出來的一種形式。因此，光照可以改變載流子的濃度，從而改變半導體的電導率。電子器件電子器件，在真空、氣體或固體中，利用和控制電子運動規(guī)律而制成的器件。在模擬電路中作整流、放大、調(diào)制、振蕩、變頻、鎖相、控制、相關等用；在數(shù)字電路中作采樣、限幅、邏輯、存儲、計數(shù)、延遲等用。固態(tài)電子器件如集成電路。2014諾貝爾物理學獎獲獎名單：日本及美國三位科學家IsamuAkasaki赤崎勇、

HiroshiAmano天野浩、ShujiNakamura中村修二獲獎理由：發(fā)明了高效藍光二極管，帶來了明亮而節(jié)能的白色

光源。有了紅、綠、藍三原色后，才能產(chǎn)生照亮世界的白色光源。藍色發(fā)光二極管的制備技術困擾了人類30多年。LED照明顯示產(chǎn)業(yè)的瓶頸:缺少藍光?。?！發(fā)光波長(nm)=1240/禁帶寬度(eV)因此，要實現(xiàn)波長為460nm的藍色發(fā)光需要禁帶寬度為2.7eV以上的寬禁帶半導體，比如GaN。1.基于GaN的高亮度藍光LED1988年，赤崎勇和天野浩

應用低能電子束照射Mg摻雜GaN，被照射區(qū)變成了P-GaN，誕生了第一個PN結(jié)GaN。隨后，中村修二也研制出了藍色發(fā)光二極管，并且他發(fā)明的技術更簡單，成本也更低。

1993年，Nichia公司首先研制成發(fā)光亮度超過lcd的高亮度GaInN/AlGaN異質(zhì)結(jié)藍光LED，并實現(xiàn)產(chǎn)品的商品化。

基于GaN的高亮度藍光LED將實現(xiàn)LED照明，廣泛應用于指示燈、燈飾、手電筒等普通照明領域。隨著高亮度白光LED技術的成熟和成本下降，將應用于手機及手提電腦背光源、交通信號燈、戶外全彩顯示屏等市場。

RedLEDGreenLEDBlueLEDBlueLEDBlueLED單一LED芯片+熒光粉(光轉(zhuǎn)換材料）2.白光LED照明實現(xiàn)方式3.藍光激光器BLD第一個氮化鎵基材料激光二極管是1995年12月研制成的電脈沖GaN-InGaN多量子阱(MQW)激光二極管(LD)。到1997年底時，Nakamura等報道了壽命估計達10000h的藍光半導體激光器。

藍光激光器BLD器件CD、DVD的光存儲密度與作為讀寫器件的半導體激光器的波長的平方成反比。若采用藍光激光器取代現(xiàn)有的紅光激光器，光盤的存儲容量將大幅提高。如果激光打印機采用氮化鎵基藍色激光器，其分辨率可以從現(xiàn)在標準的600dpi提高到1200dpi?？捎糜谲娛骂I域，450～550nm的藍-綠光波段對海水是透光的，所以BLD可通過空間衛(wèi)星、機載平臺直接用來對海底潛艇通信，大大提高潛艇的隱蔽性和保密性。這是軍事部門長久渴望實現(xiàn)的技術手段。索尼全球首臺藍光DVD刻錄機BDZ-S7

AlGaNYoshidaH.etal.NaturePhotonics.2008,2(9):551-554.2008年，YoshidaH等采用AlGaN的多量子阱結(jié)構(gòu)制備得到了紫外光的激光器KneisslM,YangZH,TeepeM,etal.JOURNALOFAPPLIEDPHYSICS.2007,101(12310312).

InAlGaN2007年，Kneissl等采用InGaN的多量子阱結(jié)構(gòu)制備得到了紫外光的激光器4.紫外激光器5.GaN基紫外探測器GaN有著直接寬帶隙(Eg~3.4eV)，由其制作的紫外光探測器對波長大于365nm的光波是沒有響應的，而對于波長比365nm短的紫外光卻有很大的響應。這個特點對于在可見和紅外光的背景中有效的探測出紫外輻射非常有利。

氮化鎵基紫外光探測器廣泛應用在臭氧檢測、激光探測器、火焰?zhèn)鞲?、定位焊接等很多方面?！拔⑿蜕诒彪S身監(jiān)測紫外線上?？茖W家成功研發(fā)氮化鎵紫外探測器6.GaN基HBTGaN的優(yōu)異性能使其器件在高頻、高速方面的應用有很大的潛力，可以在高溫、高壓下工作，且具備高功率輸出的能力?？梢杂糜谖⒉ㄆ骷⑸逃玫囊苿油ㄓ嵒竞托l(wèi)星通訊、軍用的相陣雷達系統(tǒng)等電子器件。Pankove等人在1994年報道了第一個GaN/6H-SiCHBT，

在VCB=2V,IE=100mA下,獲得的電流增益達105，工作溫度可達535℃。7.GaN基HFETHFET：它有時也稱調(diào)制摻雜FET(MODFET)或高電子遷移率晶體管(HEMT)。AlGaN/GaNHEMT以AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)為結(jié)構(gòu)基礎，它具有截止頻率高、飽和電流高以及跨導高等優(yōu)越性，能夠適應大功率的工作環(huán)境，被認為是1~50GHz范圍內(nèi)最理想的微波功率器件。在藍寶石上外延的AlGaN/GaN的二維電子氣(2DEG)材料的室溫電