異質(zhì)結(jié)原理與器件小論文講解

1、異質(zhì)結(jié)原理與器件小論文（小組） 題目：GaN第三代半導(dǎo)體的新勢力隊長：劉 敏 物理1001成員：馬丹丹 光信1001李秋虹 光信1002目錄選題背景 3一、GaN材料的發(fā)展概述4二、 GaN材料的特性42.1化學(xué)特性62.2結(jié)構(gòu)特性62.3電學(xué)特性72.4光學(xué)特性7三、GaN材料的應(yīng)用83.1新型電子器件83.2光電器件8四、GaN的優(yōu)缺點104.1GaN材料的缺點104.2GaN材料的優(yōu)點11五、總結(jié)12六、參考文獻(xiàn)13七、異質(zhì)結(jié)小組分工及時間安排13GaN第三代半導(dǎo)體的新勢力選題背景：自20世紀(jì)60年代，發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，LED)的發(fā)展非常迅速，它具有體

2、積小、耐沖擊、壽命長、可靠度高與低電壓低電流操作等優(yōu)良的特性，適用于在各種環(huán)境的使用，而且符合未來環(huán)保節(jié)能的社會發(fā)展趨勢。初期的以砷化鎵(GaAs)、鋁銦磷鎵(AIGalnP)材料為基礎(chǔ)之發(fā)光二極管，實現(xiàn)了紅光至黃綠光波段的電激發(fā)光。GaN材料的研究與應(yīng)用是目前全球半導(dǎo)體研究的前沿和熱點，是研制微電子器件、光電子器件的新型半導(dǎo)體材料，并與SIC、金剛石等半導(dǎo)體材料一起，被譽為是繼第一代Ge、Si半導(dǎo)體材料、第二代GaAs、InP化合物半導(dǎo)體材料之后的第三代半導(dǎo)體材料。它具有寬的直接帶隙、強(qiáng)的原子鍵、高的熱導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性好（幾乎不被任何酸腐蝕）等性質(zhì)和強(qiáng)的抗輻照能力，在光電子、高溫大功率器件和

3、高頻微波器件應(yīng)用方面有著廣闊的前景。關(guān)鍵詞：氮化鎵 半導(dǎo)體材料 特性 應(yīng)用一、 GaN材料的發(fā)展概述GaN是由Johnson等人于1928年合成的一種-族化合物半導(dǎo)體材料，由于晶體獲得的困難，所以對它的研究未得到很好的進(jìn)展。在60年代，用-族化合物材料GaAs制成激光器之后，才又對GaN的研究產(chǎn)生興趣。1969年，Maruska和Tietjen成功制備出了單晶GaN晶體薄膜，給這種材料帶來了新的希望。但在此后很長時期內(nèi)，GaN材料由于受到?jīng)]有合適的襯底材料、n型本底濃度太高和無法實現(xiàn)p型摻雜等問題的困擾，進(jìn)展十分緩慢。進(jìn)入90年代以來，由于緩沖層技術(shù)的采用和p型摻雜技術(shù)的突破，對GaN的研究熱

4、潮在全世界蓬勃發(fā)展起來，并且取得了輝煌的成績。二、GaN材料的特性族氮化物，主要包括GaN、AN、InN（Eg1018/cm3）的n型本底載流子濃度，現(xiàn)較好的GaN樣品的n型本底載流子濃度可以降到1016/cm3左右。由于n型本底載流子濃度較高，制備p型GaN樣品的技術(shù)難題曾一度限制了GaN器件的發(fā)展。隨著技術(shù)的發(fā)展，目前已經(jīng)可以制備載流子濃度在10111020/ cm3的p型GaN材料。在GaN材料體系中，GaInN的使用最為廣泛，這是因為GaInN為直接帶隙材料，通過改變In組分，可以調(diào)整發(fā)光波長，發(fā)光范圍基本可以覆蓋整個可見光光譜，另外GaInN的電子遷移率較高，適合制作高頻電子器件，但

5、在In組分較大時，GaInN同GaN或AN的晶格失配較大，材料生長較為困難。接下來我們將詳細(xì)闡述GaN材料的基本特性。2.1化學(xué)特性在室溫下，GaN不溶于水、酸和堿，而在熱的堿溶液中以非常緩慢的速度溶解。GaN具有高的電離度，在-族化合物中是最高的（0.43或0.5）。NaOH、H2SO4和H3PO4能較快地腐蝕質(zhì)量差的GaN，可用于這些質(zhì)量不高的GaN晶體的缺陷檢測。GaN在HCL或H2氣下，在高溫下呈現(xiàn)不穩(wěn)定特性，而在N2氣下最為穩(wěn)定。 2.2結(jié)構(gòu)特性下表列出了GaN纖鋅礦和閃鋅礦結(jié)構(gòu)的重要物理參數(shù)。 在很高壓強(qiáng)下，GaN、AN、InN能生成巖鹽結(jié)構(gòu)。纖鋅礦結(jié)構(gòu)是六方柱體原胞，因此有2個晶

6、格常數(shù)a和c。纖鋅礦結(jié)構(gòu)由各自包含一種原子的兩個密排六方晶格，沿c軸方向相對位移3c/8套構(gòu)而成。閃鋅礦結(jié)構(gòu)由包含4個族原子和4個族原子的立方原胞構(gòu)成，它是由兩個面心立方晶體，沿對角線方向相對位移a/4套構(gòu)而成的。閃鋅礦結(jié)構(gòu)和纖鋅礦結(jié)構(gòu)從電子結(jié)構(gòu)上看是相關(guān)的，兩種結(jié)構(gòu)的主要差別在于密排原子表面的堆積順序不同，閃鋅礦結(jié)構(gòu)晶格原子的堆疊是ABCABCABC,而纖鋅礦的堆疊順序是ABABAB。2.3電學(xué)特性GaN的電學(xué)特性是影響器件的主要因素。未摻雜的GaN在各種情況下都呈n型,最好的樣品的電子濃度約為41016/cm3。一般情況下所制備的P型樣品，都是高補(bǔ)償?shù)摹?GaN最高遷移率數(shù)據(jù)在室溫和液氮溫

7、度下分別為n=600cm2/vs和n= 1500cm2/vs，相應(yīng)的載流子濃度為n=41016/cm3和n=81015/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8103/cm3、300 cm2/ V.s 的n型GaN），但p型摻雜水平太低（主要是摻Mg），所得空穴濃度只有10171018/cm3，遷移率10cm2/V.s，摻雜效率只有0.1%1%（可能是H的補(bǔ)償和Mg的自身電離能較高所致）。 4.2GaN材料的優(yōu)點禁帶寬度大（3.4eV），熱導(dǎo)率高（1.3W/cm-K），則工作溫度高，擊穿電壓高，抗輻射能力強(qiáng)； 導(dǎo)

8、帶底在點，而且與導(dǎo)帶的其他能谷之間能量差大，則不易產(chǎn)生谷間散射，從而能得到很高的強(qiáng)場漂移速度（電子漂移速度不易飽和）； GaN易與AlN、InN等構(gòu)成混晶，能制成各種異質(zhì)結(jié)構(gòu)，已經(jīng)得到了低溫下遷移率達(dá)到105cm2/Vs的2-DEG（因為2-DEG面密度較高，有效地屏蔽了光學(xué)聲子散射、電離雜質(zhì)散射和壓電散射等因素）； 晶格對稱性比較低（為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)或四方亞穩(wěn)的閃鋅礦結(jié)構(gòu)），具有很強(qiáng)的壓電性（非中心對稱所致）和鐵電性（沿六方c軸自發(fā)極化）：在異質(zhì)結(jié)界面附近產(chǎn)生很強(qiáng)的壓電極化（極化電場達(dá)2MV/cm）和自發(fā)極化（極化電場達(dá)3MV/cm），感生出極高密度的界面電荷，強(qiáng)烈調(diào)制了異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)，加

9、強(qiáng)了對2-DEG的二維空間限制，從而提高了2-DEG的面密度（在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)中可達(dá)到1013/cm2，這比AlGaAs/GaAs異質(zhì)結(jié)中的高一個數(shù)量級），這對器件工作很有意義。 總之，從整體來看，GaN的優(yōu)點彌補(bǔ)了其缺點，特別是通過異質(zhì)結(jié)的作用，其有效輸運性能并不亞于GaAs，而制作微波功率器件的效果（微波輸出功率密度上）還往往要遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有的一切半導(dǎo)體材料。五、總結(jié)在GaN基三族氮化物材料研究上的成就是非常鼓舞人心的。在光電子器件突破的同時，GaN高溫半導(dǎo)體電子器件也相繼大力開發(fā)。但由于大塊體單晶生長沒有解決，導(dǎo)致許多GaN物理特性的解釋不成熟，制約了器件研究的進(jìn)一步發(fā)展。 就目前

10、來講，一些基礎(chǔ)性的研究工作，如GaN的能帶結(jié)構(gòu)、膜層生長動力學(xué)、表面形貌與表面再構(gòu)、電子輸運特性、雜質(zhì)摻雜控制、雜質(zhì)缺陷機(jī)理及相互作用等，雖然取得了良好進(jìn)展，但仍需進(jìn)一步的加強(qiáng)研究。而且現(xiàn)在已經(jīng)到了花大力氣解決GaN 體單晶材料生長的時候了?？傊?，具有不同色彩和極窄帶寬的高亮度LEDs、具有長壽命的藍(lán)光LDs、光電導(dǎo)uv探測器也已發(fā)展和商業(yè)化，與傳統(tǒng)的探測器相比，這些探測器顯示出更高的響應(yīng)特性，且具有更好調(diào)整的截止波長；GaN基MESFET、HBT和MODFET(HEMT)等器件已被成功制備出，高頻MISFET器件已被制成并且一種電子級的AIN/Si界面已被證實可行，這表明了三族氮化物和硅復(fù)合

11、集成的可行性。盡管還有諸多問題和工藝技術(shù)有待解決，但GaN基材料和器件在光電子和微電子技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用的日益廣泛，將會是毫無疑問的事情。、六、參考文獻(xiàn)1、 潘孝軍，張振興等，測設(shè)制備非晶氮化鎵薄膜的光學(xué)性能，半導(dǎo)體學(xué)報，2007年第22卷第4期；2、 蔣榮華，肖順珍等，GaN基材料的特性及光電器件的應(yīng)用，世界有色金屬，2003年2：35-39；3、 梁春廣等，GaN 第三代半導(dǎo)體的曙光，半導(dǎo)體學(xué)報，1999 年第20卷第2期；4、 焦剛等AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)歐姆接觸的研制固體電子學(xué)研究與進(jìn)展2004年第24卷第1期；5、 童寒軒，胡慧明，氮化鎵的合成制備及前景分析，遼寧化工2011年第40卷第11期。七、異質(zhì)結(jié)小組分工及時間安排題目：GaN第三