半導(dǎo)體材料的華麗家族―GaN材料

1、福州大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院學(xué)生論文題 目：半導(dǎo)體材料的華麗家族GaN材料 年 級(jí)： 2010級(jí) 專(zhuān) 業(yè)： 材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè) 學(xué) 號(hào)： 261080026 學(xué)生姓名： 林 芳 指導(dǎo)教師： 鄭興華 2011 年 12 月 11日半導(dǎo)體材料的華麗家族GaN材料摘要自從藍(lán)色GaN/GaInN LEDs研制成功之后,氮化物逐漸成為化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域中一顆耀眼的新星。以高亮度GaN基白光LED為核心的半導(dǎo)體照明技術(shù)對(duì)照明領(lǐng)域帶來(lái)了很大的沖擊，并成為目前全球半導(dǎo)體領(lǐng)域研究和投資的熱點(diǎn)。本文首先綜述了GaN材料的基本特性、制備、以及GaN基白光LED的特點(diǎn)、合成與發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：GaN，半導(dǎo)體材料，低色溫、高顯色

2、，白光LED目錄1.緒論11.1 GaN的背景11.2 GaN的基本特性11.3 GaN材料的制備2材料的選擇21.3.2 GaN外延材料的生長(zhǎng)21.4 GaN基器件的應(yīng)用和市場(chǎng)前景4基-低色溫、高顯色白光LED4白光LED的特點(diǎn)4白光LED的合成42.3 LED的未來(lái)發(fā)展與展望63.致謝74.參考文獻(xiàn)81緒論1.1 GaN的背景在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中，一般將Si、Ge稱(chēng)為第一代電子材料；而將GaAs、InP、GaP、InAs、AlAs及其合金等稱(chēng)為第二代電子材料；寬禁帶(Eg2.3eV半導(dǎo)體材料近年來(lái)發(fā)展十分迅速，成為第三代電子材料，主要包括SiC、ZnSe、金剛石和GaN等。在第三代半導(dǎo)體材

3、料中，SiC和ZnSe在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)一直是研究和開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)，盡管SiC為間接帶隙材料，其藍(lán)色LEDs的發(fā)光亮度很低，但SiC藍(lán)色LEDs在GaN藍(lán)光LEDs實(shí)現(xiàn)商品化之前仍是唯一的商品化的藍(lán)光LEDs產(chǎn)品；而ZnSe材料由于實(shí)現(xiàn)藍(lán)光LDs(壽命約為幾個(gè)小時(shí)，更是成為世界各大公司和研究機(jī)構(gòu)的掌上珠。GaN材料由于受到?jīng)]有合適的單晶襯底材料(藍(lán)寶石襯底與GaN的晶格失配高達(dá)14%、位錯(cuò)密度太大(約為ZnSe材料的107倍、n-型本底濃度太高(1018 /cm3和無(wú)法實(shí)現(xiàn)p-型摻雜等問(wèn)題的困擾,曾被認(rèn)為是一種沒(méi)有希望的材料，因而發(fā)展十分緩慢。進(jìn)入90年代之后，隨著材料生長(zhǎng)和器件工藝水平的不斷發(fā)

4、展和完善，GaN基器件的發(fā)展十分迅速，目前已經(jīng)成為寬帶隙半導(dǎo)體材料中一顆十分耀眼的新星。1.2 GaN的基本特性族氮化物，主要包括GaN、AlN、InN(Eg1018/cm3的n型本底載流子濃度。GaN材料具有許多硅基材料所不具備的優(yōu)異性能，包括能夠滿(mǎn)足大功率、高溫、高頻和高速半導(dǎo)體器件的工作要求。1.3 GaN材料的制備 材料的選擇制備高質(zhì)量的GaN體單晶材料和薄膜單晶材料，是研究開(kāi)發(fā)族氮化物發(fā)光器件、電子器件以及保證器件性能和可靠性的前提條件。因?yàn)镚aN的融點(diǎn)高，所以很難采用熔融的液體GaN制備體單晶材料，即使采用了高溫、高壓技術(shù)，也只能制備出針狀或小尺寸的片狀GaN晶體。目前仍在開(kāi)展生長(zhǎng)

5、大尺寸GaN體單晶材料的研究工作。隨著異質(zhì)外延技術(shù)的不斷進(jìn)步,現(xiàn)在已經(jīng)可以在一些特定的襯底材料上外延生長(zhǎng)得到質(zhì)量較好的GaN外延層,這使得GaN材料體系的應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展。在選擇襯底材料時(shí)通?？紤]的因素如下:(1盡量采用同一系統(tǒng)的材料作為襯底；(2晶格失配度越小越好；(3材料的熱膨脹系數(shù)相近；(4用于微波器件時(shí),最好選取微波介質(zhì)性質(zhì)良好的半絕緣材料；(5材料的尺寸、價(jià)格等因素。1.3.2 GaN外延材料的生長(zhǎng)目前可以采用MOVPE、MBE和HVPE等外延技術(shù)實(shí)現(xiàn)GaN的異質(zhì)外延生長(zhǎng)。（1）HVPE：鹵化物氣相外延(HVPE技術(shù)，以GaCl3為Ga源，NH3為N源,在1000左右在藍(lán)寶石襯底

6、上可以快速生長(zhǎng)質(zhì)量較好的GaN材料，生長(zhǎng)速度可以達(dá)到每小時(shí)幾百微米。HVPE的缺點(diǎn)是很難精確控制膜厚，反應(yīng)氣體對(duì)設(shè)備具有腐蝕性，影響GaN材料純度的提高.HVPE主要用于改進(jìn)MOVPE生長(zhǎng)的LEDs結(jié)構(gòu)，以提高取光效率，或改進(jìn)MBE生長(zhǎng)的LDs結(jié)構(gòu)，使其具有較低的串聯(lián)電阻和較好解理。（2）MBE：分子束外延技術(shù)，直接以Ga或Al的分子束作為III族源，以NH3為N源，在襯底表面反應(yīng)生成族氮化物。該方法可以在較低的溫度下實(shí)現(xiàn)GaN的生長(zhǎng)，有可能減少N的揮發(fā),從而降低本底n型載流子濃度。但在低溫下，NH3與族金屬的反應(yīng)速率很慢，生成物分子的可動(dòng)性差,為了進(jìn)一步提高晶體質(zhì)量，正在研究以等離子體輔助增

7、強(qiáng)技術(shù)激發(fā)N2，替代NH3作為N源。反應(yīng)分子束外延生長(zhǎng)族氮化物的速度較慢，可以精確控制膜厚，但對(duì)于外延層較厚的器件(如LEDs、LDs的生長(zhǎng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不能滿(mǎn)足大規(guī)模生產(chǎn)的要求。（3）MOVPE：金屬有機(jī)物氣相外延(MOVPE技術(shù)，以族金屬有機(jī)物為III族源，以NH3為N源，在高溫下(通常1000進(jìn)行族氮化物的生長(zhǎng)。MOVPE的生長(zhǎng)速率適中，可以比較精確的控制膜厚，特別適合于LEDs和LDs的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，目前EMCORE和AIXTRON公司都已開(kāi)發(fā)出用于工業(yè)化生產(chǎn)的族氮化物MOVPE設(shè)備。由于使用了難于裂解并易于發(fā)生雜散反應(yīng)的NH3作為N源,需要嚴(yán)格控制生長(zhǎng)條件，并改進(jìn)生長(zhǎng)設(shè)備。Nakamu

8、ra等人在1990年開(kāi)發(fā)了雙束流(TF2MOVPE生長(zhǎng)技術(shù)圖1-3，并采用該技術(shù)于1991年生長(zhǎng)得到了高質(zhì)量的p型GaN晶體。MOVPE技術(shù)是目前使用最多，材料和器件質(zhì)量最高的生長(zhǎng)方法。圖1-3雙束流MOVPE生長(zhǎng)示意圖(4兩步生長(zhǎng)工藝：由于GaN同藍(lán)寶石的晶格失配太大，為了獲得晶體質(zhì)量較好的GaN外延層，必須采用兩步生長(zhǎng)工藝。即首先在較低的溫度下(500600生長(zhǎng)很薄的一層GaN或AlN作為緩沖層(buffer layer，再將溫度調(diào)整到較高的溫度生長(zhǎng)GaN。Akasaki首先以AlN為緩沖層生長(zhǎng)得到了高質(zhì)量的GaN晶體，隨后Nakamura發(fā)現(xiàn)以GaN為緩沖層可以得到更高質(zhì)量的GaN晶體。

9、1.4 GaN基器件的應(yīng)用和市場(chǎng)前景GaN基器件在高亮度藍(lán)、綠光LEDs和藍(lán)光LDs以及抗輻射、高溫大功率微波器件等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用潛力和良好的市場(chǎng)前景。隨著高亮度AlGaInP紅光LED和GaInN藍(lán)、綠光LED的商品化，可見(jiàn)光LED的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)由室內(nèi)擴(kuò)展到室外，由單色顯示發(fā)展為彩色顯示，將在全色動(dòng)態(tài)信息平板顯示、固體照明光源、信號(hào)指示燈和背光照明等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。而藍(lán)、綠光LD在增大信息的光存儲(chǔ)密度、深海通信、材料加工、激光打印、大氣污染監(jiān)控等方面有廣泛的用途。2GaN基-低色溫、高顯色白光LED2.1 白光LED的特點(diǎn)(1小體積：體積小、重量輕。利用其特點(diǎn)可設(shè)計(jì)又薄、又輕、又緊湊的

10、各種式樣的燈具、背光源產(chǎn)品。(2高效率：發(fā)光效率高，一個(gè)兩瓦的LED燈相當(dāng)于一個(gè)15瓦的普通白熾燈燈泡的照明效果。(3多色彩：LED色彩鮮艷豐富。不同的半導(dǎo)體材料，不同顏色的光。顏色飽和度達(dá)到130%全彩色不同光色的組合變化多端，利用時(shí)序控制電路，更能達(dá)到豐富多彩的動(dòng)態(tài)變化效果。(4壽命長(zhǎng)：LED燈最長(zhǎng)可達(dá)100000小時(shí)；LED半衰減期可達(dá)50000小時(shí)以上。(5低耗電：比同光效的白熾燈最多可節(jié)省百分之七十。(6低故障：LED是半導(dǎo)體元件，與白熾燈和電子節(jié)能燈相比，沒(méi)有真空器件和高壓觸發(fā)電路等敏感部件，故障極低，可以免維修。(7低電壓：驅(qū)動(dòng)電壓低，工作電壓為直流，安全。(8方向性強(qiáng)：平面發(fā)光

11、，方向性強(qiáng)。它與點(diǎn)光源白熾燈不同，視角度180，設(shè)計(jì)時(shí)一定要注意和利用LED光源有不同的視角 度和不能大于180的特點(diǎn)。(9響應(yīng)快：響應(yīng)時(shí)間短，只有60ns，啟動(dòng)十分迅速；白熾燈是毫秒數(shù)量級(jí)。(10綠色、環(huán)保：?jiǎn)紊院?，LED光譜集中，沒(méi)有多余紅外、紫外等光譜，熱量、輻射很少，對(duì)被照物產(chǎn)生影響少。而且不含汞有害物質(zhì)，廢棄物可回收，沒(méi)有污染。2.2 白光LED的合成白光LED的合成途徑大體上有2條：第一條是RGB，也就是紅光LED+綠光LED+藍(lán)光LED，采用RGB合成白光的辦法主要的問(wèn)題是綠光的轉(zhuǎn)換效率低。第二條是LED+不同色光熒光粉：第一個(gè)方法是用紫外或紫光LED+RGB熒光粉來(lái)合成LED

12、，這種工作原理和日光燈是類(lèi)似的，但是比日光燈的性能要優(yōu)越，其中紫光LED的轉(zhuǎn)換系數(shù)可達(dá)80%，各色熒光粉的量子轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到90%，還有一個(gè)辦法是用藍(lán)光LED+紅綠熒光粉，藍(lán)光LED效率60%，熒光粉效率70%；還有是藍(lán)光LED+黃色熒光粉來(lái)構(gòu)成白光。表2-1是用不同顏色及數(shù)目LED加熒光粉所做成的白光LED的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)。表2-1理想的白光LED是采用紅、綠、藍(lán)三基色發(fā)光二極管來(lái)合成，三色二極管的光強(qiáng)度可分開(kāi)控制，形成全彩的變色效果，并可通過(guò)波長(zhǎng)和強(qiáng)度的選擇來(lái)得到較佳的演色性。白光LED由于使用的三個(gè)二極管都是熱源,散熱是其他封裝形式的三倍,芯片光效更會(huì)隨溫度的升高而明顯降低,并造成其壽命的

13、縮短。為了解決散熱, 采用有源層中不同的量子阱。用不同的In組分來(lái)控制發(fā)光波長(zhǎng)，在藍(lán)寶石襯底上依次生長(zhǎng)InGaN/GaN藍(lán)光LEDs和InGaN/GaN綠光LEDs結(jié)構(gòu)，當(dāng)注入電流小于200mA時(shí)，得到了接近白光的發(fā)射光譜但色溫卻高達(dá)9000K；采用鍵合技術(shù)制作GaAs/GaN白光LEDs，由于三種芯片的量子效率各不相同,衰減也不同，最終造成出光顏色不穩(wěn)定；采用460nm藍(lán)光激發(fā)YAG (釔鋁石榴石）黃光熒光粉來(lái)得到白光LED，YAG熒光粉通過(guò)吸收一部分藍(lán)光來(lái)激發(fā)黃光，黃光與沒(méi)被吸收的藍(lán)光混合產(chǎn)生白光,這種方法因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易制作，加上YAG熒光粉制作工藝的成熟，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到白光LED的生

14、產(chǎn)領(lǐng)域；采用440nm短波長(zhǎng)InGaN/GaN藍(lán)光LED芯片激發(fā)高效紅、綠熒光粉，該方法可制得低色溫高顯色性白光LED，既可避免紫外光激發(fā)帶來(lái)的一系列問(wèn)題，又可得到較好的色溫和演色性。 2.3 LED的未來(lái)發(fā)展與展望未來(lái)LED的發(fā)展方向：做小尺寸??；做大功率大；做快散熱快；做低成本低；獨(dú)立集成。目前我國(guó)的產(chǎn)業(yè)鏈經(jīng)過(guò)多年不斷的發(fā)展已經(jīng)相對(duì)完善，也具備了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。其中下游產(chǎn)業(yè)進(jìn)入壁壘小，勞動(dòng)密集型，正適合我國(guó)的國(guó)情;技術(shù)也在不斷的突破，現(xiàn)在看來(lái)發(fā)展這個(gè)產(chǎn)業(yè)正是時(shí)候，LED本身又具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展之急需，由此來(lái)看我國(guó)的LED產(chǎn)業(yè)也具備著相當(dāng)高的發(fā)展機(jī)遇。為了更好的掌控LED

15、產(chǎn)業(yè)，我國(guó)也有了自己的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展思路：抓住照明產(chǎn)業(yè)革命的歷史機(jī)遇，堅(jiān)持政府引導(dǎo)，以企業(yè)為主體和市場(chǎng)化運(yùn)作原則，以技術(shù)創(chuàng)新為核心，機(jī)制創(chuàng)新為保障，在解決市場(chǎng)繼續(xù)的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的同時(shí)，加大對(duì)重大關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)的投入，集中力量，重點(diǎn)突破，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，通過(guò)全球范圍內(nèi)資源的整合，基地建設(shè)和龍頭企業(yè)的培育，形成有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的新興產(chǎn)業(yè)。在這樣一個(gè)充滿(mǎn)挑戰(zhàn)和機(jī)遇的環(huán)境下，我國(guó)的LED產(chǎn)業(yè)必將迎來(lái)一個(gè)嶄新的未來(lái)。致謝參考文獻(xiàn)1、梁春廣，張冀.GaN第三代半導(dǎo)體的曙光，半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，1999.2.2、劉一兵.GaN基藍(lán)光LED關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展，湖南大學(xué)，2007.11.3、梁春廣，張冀.GaN第三代

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