異質(zhì)結(jié)原理與器件小論文

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(duì)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(diǎn)104.1GaN材料的缺點(diǎn)104.2GaN材料的優(yōu)點(diǎn)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(shí)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(huì)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(shí)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(diǎn)，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(yù)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(shí)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(shí)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（Eg<2.3V）、GaInN和AlGaInN等，其禁帶寬度覆蓋了紅、黃、綠、藍(lán)、紫和紫外光譜范圍。族氮化物有三種晶體結(jié)構(gòu)，即纖鋅礦、閃鋅礦和巖鹽結(jié)構(gòu)，三種結(jié)構(gòu)的主要差別在于原子層的堆積次序不同，因而電學(xué)性質(zhì)也有顯著差別。GaN是族氮化物中的基本材料，也是目前研究最多的族氮化物材料。GaN材料硬度高，化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定。GaN的電學(xué)性質(zhì)是決定器件性能的主要因素，電子室溫遷移率目前可以達(dá)到9002/（Vs）。在藍(lán)寶石襯底上生長的未參雜的GaN樣品存在較高（>1018/cm3）的n型本

5、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?yàn)镚aInN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(gè)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，但在In組分較大時(shí)，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

6、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(gè)晶格常數(shù)a和c。纖鋅礦結(jié)構(gòu)由各自包含一種原子的兩個(gè)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(gè)族原子和4個(gè)族原子

7、的立方原胞構(gòu)成，它是由兩個(gè)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4×1016/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)在室溫和液氮溫度下分別為n=600cm2/vs和n= 1500cm2/vs，相應(yīng)的載流子濃度為n=4×1016/cm3和n=8&

8、#215;1015/cm3。近年報(bào)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。 未摻雜載流子濃度可控制在10141020/cm3范圍。另外，通過P型摻雜工藝和Mg的低能電子束輻照或熱退火處理，已能將摻雜濃度控制在10111020/cm3范圍。 24光學(xué)特性人們關(guān)注的GaN的特性，旨在它在藍(lán)光和紫光發(fā)射器件上的應(yīng)用。氮化鎵晶體管是直接帶隙半導(dǎo)體材料,在室溫下有很寬的帶隙(3.39eV)。它在光電子器件如藍(lán)光、紫外、紫光等光發(fā)射二極管和激光二極管方面有著重要的應(yīng)

9、用。作為第三代半導(dǎo)體材料的代表，氮化鎵（GaN）基材料可制成高效藍(lán)、綠光發(fā)光二極管和激光二極管LD（又稱激光器），并可延伸到白光，將替代人類沿用至今的照明系統(tǒng)。氮化鎵（GaN）基材料奠定了解決白色發(fā)光二極管的基礎(chǔ)，并且氮化鎵藍(lán)光LED相關(guān)材料及器件廣泛應(yīng)用于全色大屏幕顯示器，高亮度LED交通信號(hào)和指針燈，以氮化鎵為基礎(chǔ)的高亮度半導(dǎo)體LED具有體積小、壽命長、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，并向著高亮度、全彩色、大型化方向發(fā)展。三、GaN材料的應(yīng)用3.1新型電子器件GaN材料系列具有低的熱產(chǎn)生率和高的擊穿電場，是研制高溫大功率電子器件和高頻微波器件的重要材料。目前，隨著 MBE技術(shù)在GaN材料應(yīng)用中的進(jìn)展和關(guān)鍵薄

10、膜生長技術(shù)的突破，成功地生長出了GaN多種異質(zhì)結(jié)構(gòu)。用GaN材料制備出了金屬場效應(yīng)晶體管（MESFET）、異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(HFET)、調(diào)制摻雜場效應(yīng)晶體管（MODFET）等新型器件。調(diào)制摻雜的AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)具有高的電子遷移率(2000cm2/vs)、高的飽和速度(1×107cm/s)、較低的介電常數(shù)，是制作微波器件的優(yōu)先材料；GaN較寬的禁帶寬度(3.4eV) 及藍(lán)寶石等材料作襯底，散熱性能好，有利于器件在大功率條件下工作。 3.2光電器件 GaN材料系列是一種理想的短波長發(fā)光器件材料，在前面提及的GaN材料的特性描述中我們知道GaN及其合金的帶隙覆蓋了從紅色到紫外的光譜

11、范圍。自從1991年日本研制出同質(zhì)結(jié)GaN藍(lán)色 LED之后，InGaN/AlGaN雙異質(zhì)結(jié)超亮度藍(lán)色LED、InGaN單量子阱GaNLED相繼問世。目前，Zcd和6cd單量子阱GaN藍(lán)色和綠色 LED已進(jìn)入大批量生產(chǎn)階段，從而填補(bǔ)了市場上藍(lán)色LED多年的空白。藍(lán)色發(fā)光器件在高密度光盤的信息存取、全光顯示、激光打印機(jī)等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用市場。隨著對族氮化物材料和器件研究與開發(fā)工作的不斷深入，GaInN超高度藍(lán)光、綠光LED技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商品化，現(xiàn)在世界各大公司和研究機(jī)構(gòu)都紛紛投入巨資加入到開發(fā)藍(lán)光LED的競爭行列。 1993年，Nichia公司首先研制成發(fā)光亮度超過lcd的高亮度GaInN/AlG

12、aN異質(zhì)結(jié)藍(lán)光LED，使用摻Zn的GaInN作為有源層，外量子效率達(dá)到2.7%,峰值波長450nm,并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的商品化。1995年，該公司又推出了光輸出功率為2.0mW，亮度為6cd商品化GaN綠光 LED產(chǎn)品，其峰值波長為525nm，半峰寬為40nm。最近，該公司利用其藍(lán)光LED和磷光技術(shù)，又推出了白光固體發(fā)光器件產(chǎn)品，其色溫為6500K，效率達(dá)7.5流明/W。除Nichia公司以外，HP、Cree等公司相繼推出了各自的高亮度藍(lán)光LED產(chǎn)品。高亮度LED的市場已從1998年的 3.86億美元躍升為2003年的10億美元。高亮度LED的應(yīng)用主要包括汽車照明，交通信號(hào)和室外路標(biāo)，平板金色顯示，高

13、密度DVD存儲(chǔ)，藍(lán)綠光對潛通信等。 在成功開發(fā)族氮化物藍(lán)光LED之后，研究的重點(diǎn)開始轉(zhuǎn)向族氮化物藍(lán)光LED器件的開發(fā)。藍(lán)光LED在光控測和信息的高密度光存儲(chǔ)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前Nichia公司在GaN藍(lán)光LED領(lǐng)域居世界領(lǐng)先地位，其GaN藍(lán)光LED室溫下2mW連續(xù)工作的壽命突破10000小時(shí)。HP公司以藍(lán)寶石為襯底，研制成功光脊波導(dǎo)折射率導(dǎo)引GaInN/AlGaN多量子阱藍(lán)光LED.cree公式和Fujitsu公司采用SiC作為襯底材料，開發(fā) 族氮化物藍(lán)光LED，CreeResearch公司首家報(bào)道了SiC上制作的CWRT藍(lán)光激光器。富士通繼Nichia，CreeResearch和索

14、尼等公司之后，宣布研制成了InGaN藍(lán)光激光器，該激光器可在室溫下CW應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)是在SiC襯底上生長的，并且采用了垂直傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)（P型和n型接觸分別制作在晶片的頂面和背面），這是首次報(bào)道的垂直器件結(jié)構(gòu)的CW藍(lán)光激光器。 在探測器方面，已研制出GaN紫外探測器，波長為369nm，其響應(yīng)速度與Si探測器不相上下。但這方面的研究還處于起步階段。GaN探測器將在火焰探測、導(dǎo)彈預(yù)警等方面有重要應(yīng)用。四、GaN的優(yōu)缺點(diǎn)因?yàn)镚aN是寬禁帶半導(dǎo)體，極性太大，則較難以通過高摻雜來獲得較好的金屬-半導(dǎo)體的歐姆接觸，這是GaN器件制造中的一個(gè)難題，故GaN器件性能的好壞往往與歐姆接觸的制作結(jié)果有關(guān)。現(xiàn)在比較好的一種

15、解決辦法就是采用異質(zhì)結(jié)，首先讓禁帶寬度逐漸過渡到較小一些，然后再采用高摻雜來實(shí)現(xiàn)歐姆接觸，但這種工藝較復(fù)雜。總之，歐姆接觸是GaN器件制造中需要很好解決的一個(gè)主要問題。4.1GaN材料的缺點(diǎn)一方面，在理論上由于其能帶結(jié)構(gòu)的關(guān)系，其中載流子的有效質(zhì)量較大，輸運(yùn)性質(zhì)較差，則低電場遷移率低，高頻性能差。另一方面，現(xiàn)在用異質(zhì)外延（以藍(lán)寶石和SiC作為襯底）技術(shù)生長出的GaN單晶，還不太令人滿意（這有礙于GaN器件的發(fā)展），例如位錯(cuò)密度達(dá)到了1081010/cm2（雖然藍(lán)寶石和SiC與GaN的晶體結(jié)構(gòu)相似，但仍然有比較大的晶格失配和熱失配）；未摻雜GaN的室溫背景載流子（電子）濃度高達(dá)1017cm-3（

16、可能與N空位、替位式Si、替位式O等有關(guān)），并呈現(xiàn)出n型導(dǎo)電；雖然容易實(shí)現(xiàn)n型摻雜（摻Si可得到電子濃度10151020/cm3、室溫遷移率>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(diǎn)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)帶底在點(diǎn)，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

17、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?yàn)?-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101

18、3/cm2，這比AlGaAs/GaAs異質(zhì)結(jié)中的高一個(gè)數(shù)量級(jí)），這對器件工作很有意義。 總之，從整體來看，GaN的優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)了其缺點(diǎn)，特別是通過異質(zhì)結(jié)的作用，其有效輸運(yùn)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(shí)，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(dòng)力學(xué)、表面形貌與表面再構(gòu)、電子輸運(yùn)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(shí)候了。總之，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