材料物理報(bào)告

GaN—第三代半導(dǎo)體的曙光報(bào)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(yīng)用4結(jié)論與展望5研究背景半導(dǎo)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(dǎo)體材料的研究已經(jīng)非常完善，并且應(yīng)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(dǎo)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(lǐng)域的應(yīng)用。作為第二代半導(dǎo)體材料代表的GaAs、InP，帶隙和能帶結(jié)構(gòu)都比第一代半導(dǎo)體材料更有優(yōu)勢(shì)，目前主要應(yīng)用在要求高速和高發(fā)光效率的光電子領(lǐng)域等。為了制造更大功率的發(fā)光器件，實(shí)現(xiàn)三原色所必需的藍(lán)色和高密度的存儲(chǔ)設(shè)備，人們?cè)絹碓疥P(guān)注禁帶寬度大，直接帶隙的材料，這就是第三代半導(dǎo)體材料。研究背景同第一代、第二代半導(dǎo)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(diǎn)，非常適合制作高溫、高頻和大功率電子器件以及藍(lán)綠光、紫外光發(fā)光器件和光探測(cè)器件等。研究背景氮化鎵砷化鎵硅應(yīng)用于光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應(yīng)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(yùn)算、存儲(chǔ)的問題研究背景WOS核心合集中關(guān)于GaN材料的文章發(fā)表情況關(guān)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(xué)性質(zhì)GaN基材料屬于Ⅲ/Ⅴ族半導(dǎo)體，是繼Si基半導(dǎo)體和GaAs、InP基半導(dǎo)體之后的新一代寬禁帶半導(dǎo)體材料。GaN基材料屬于直接帶隙半導(dǎo)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(dòng)量能量動(dòng)量直接帶隙情況間接帶隙情況GaN結(jié)構(gòu)和性能光學(xué)性質(zhì)材料禁帶寬度與發(fā)光波長的對(duì)應(yīng)關(guān)系人們關(guān)注的GaN的特性，旨在它在藍(lán)光和紫光的應(yīng)用。Maruska和Tietjen首先精確地測(cè)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(dǎo)體材料應(yīng)用于發(fā)光材料與器件，其發(fā)光波長范圍可以從遠(yuǎn)紅外線一直覆蓋到紫光，甚至是深紫外波段。當(dāng)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(lán)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(yīng)用也表現(xiàn)出很大的優(yōu)勢(shì)和潛質(zhì)。電學(xué)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(bǔ)償?shù)?。GaN具有很高的電子飽和漂移速度。中村報(bào)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(yīng)的載流子濃度為n=4×1016/cm3和n=8×1015/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。GaN擊穿電場(chǎng)比其它半導(dǎo)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(dá)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(dǎo)體材料已經(jīng)成為了世界各國研究的熱點(diǎn)。GaN的合成與制備方法是目前GaN的主要研究對(duì)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(jì)30年代Johnson等就采用金屬稼(Ga)和氨氣(NH3)反應(yīng)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(jī)氣相沉積(MOCVD)和分子束外延(MBE)。襯底的選擇：不同的襯底會(huì)影響GaN外延層的晶體結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能[1]，目前，使用藍(lán)寶石襯底較多[2]，同時(shí)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(shù)在藍(lán)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(jìn)展［J］，人工晶體學(xué)報(bào)，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(jī)械分離的技術(shù)即可剝離。HVPE法易實(shí)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(dǎo)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(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)

以III族、II族元素的有機(jī)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(jìn)行氣相外延。MOCVD過程中，改變溫度等參數(shù)，會(huì)使制得的LED的發(fā)射光主峰位置發(fā)生移動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)：（1）精確控制氣體流量來控制外延層組分、導(dǎo)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(shí)生長多片(目前最多可以同時(shí)生長55片2英寸)，

產(chǎn)量高；（4）原位監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)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(shè)備可對(duì)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(kuò)散距離等生長細(xì)節(jié)進(jìn)行精確監(jiān)控。[1]MaheshKumara，AppliedSurfaceScience,2011,257:2107-2110.優(yōu)點(diǎn)：MBE技術(shù)具有生長溫度低，不需要任何后處理即可得到p型GaN。缺點(diǎn)：尚處于發(fā)展的早期階段，有許多問題有待研究。主攻方向?yàn)榻档捅尘半娮訚舛?、提高材料的光電質(zhì)量等。其他方法雖然以上三種技術(shù)日漸成熟，人們也通過改變襯底，增加多緩沖層等方法對(duì)工藝進(jìn)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(yùn)用選擇性生長技術(shù)，即側(cè)向外延過生長技術(shù)簡(jiǎn)稱ELOG或ELO生長GaN外延層的方法，位錯(cuò)密度可降低至約104cm-2，還存在窗口區(qū)位錯(cuò)密度高、晶向傾斜、低角度晶界等問題，但在當(dāng)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(cè)器

電子器件異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HFET)GaN應(yīng)用光電器件光電導(dǎo)器件利用半導(dǎo)體光敏特性工作的光電導(dǎo)器件，利用半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)工作的光電池和半導(dǎo)體發(fā)光器件等統(tǒng)稱為光電器件。半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率是由載流子濃度決定的。載流子就是由半導(dǎo)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(dǎo)體的電導(dǎo)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(yùn)動(dòng)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(guān)等用；在數(shù)字電路中作采樣、限幅、邏輯、存儲(chǔ)、計(jì)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(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)名單：日本及美國三位科學(xué)家IsamuAkasaki赤崎勇、

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

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

應(yīng)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(gè)PN結(jié)GaN。隨后，中村修二也研制出了藍(lán)色發(fā)光二極管，并且他發(fā)明的技術(shù)更簡(jiǎn)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(lán)光LED，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的商品化。

基于GaN的高亮度藍(lán)光LED將實(shí)現(xiàn)LED照明，廣泛應(yīng)用于指示燈、燈飾、手電筒等普通照明領(lǐng)域。隨著高亮度白光LED技術(shù)的成熟和成本下降，將應(yīng)用于手機(jī)及手提電腦背光源、交通信號(hào)燈、戶外全彩顯示屏等市場(chǎng)。

RedLEDGreenLEDBlueLEDBlueLEDBlueLED單一LED芯片+熒光粉(光轉(zhuǎn)換材料）2.白光LED照明實(shí)現(xiàn)方式3.藍(lán)光激光器BLD第一個(gè)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(shí)，Nakamura等報(bào)道了壽命估計(jì)達(dá)10000h的藍(lán)光半導(dǎo)體激光器。

藍(lán)光激光器BLD器件CD、DVD的光存儲(chǔ)密度與作為讀寫器件的半導(dǎo)體激光器的波長的平方成反比。若采用藍(lán)光激光器取代現(xiàn)有的紅光激光器，光盤的存儲(chǔ)容量將大幅提高。如果激光打印機(jī)采用氮化鎵基藍(lán)色激光器，其分辨率可以從現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)的600dpi提高到1200dpi?？捎糜谲娛骂I(lǐng)域，450～550nm的藍(lán)-綠光波段對(duì)海水是透光的，所以BLD可通過空間衛(wèi)星、機(jī)載平臺(tái)直接用來對(duì)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(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段。索尼全球首臺(tái)藍(lán)光DVD刻錄機(jī)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(cè)器GaN有著直接寬帶隙(Eg~3.4eV)，由其制作的紫外光探測(cè)器對(duì)波長大于365nm的光波是沒有響應(yīng)的，而對(duì)于波長比365nm短的紫外光卻有很大的響應(yīng)。這個(gè)特點(diǎn)對(duì)于在可見和紅外光的背景中有效的探測(cè)出紫外輻射非常有利。

氮化鎵基紫外光探測(cè)器廣泛應(yīng)用在臭氧檢測(cè)、激光探測(cè)器、火焰?zhèn)鞲?、定位焊接等很多方面?！拔⑿蜕诒彪S身監(jiān)測(cè)紫外線上?？茖W(xué)家成功研發(fā)氮化鎵紫外探測(cè)器6.GaN基HBTGaN的優(yōu)異性能使其器件在高頻、高速方面的應(yīng)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?、商用的移動(dòng)通訊基站和衛(wèi)星通訊、軍用的相陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)等電子器件。Pankove等人在1994年報(bào)道了第一個(gè)GaN/6H-SiCHBT，

在VCB=2V,IE=100mA下,獲得的電流增益達(dá)105，工作溫度可達(dá)535℃。7.GaN基HFETHFET：它有時(shí)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(chǔ)，它具有截止頻率高、飽和電流高以及跨導(dǎo)高等優(yōu)越性，能夠適應(yīng)大功率的工作環(huán)境，被認(rèn)為是1~50GHz范圍內(nèi)最理想的微波功率器件。在藍(lán)寶石上外延的AlGaN/GaN的二維電子氣(2DEG)材料的室溫電