北京大學(xué)GaN半導(dǎo)體課件

預(yù)備知識(shí)1960年前后，最早由H.Kroemer

和Zh.I.Alferou

等提出異質(zhì)結(jié)構(gòu)的概念。阿耳費(fèi)羅夫與克勒默(Kroemer)分享2ooo年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1970年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的潘尼希（Ｍorton

Panish）和哈亞希(IzuoHayashi)成功地實(shí)現(xiàn)了雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的室溫連續(xù)工作。第一章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)簡(jiǎn)介同質(zhì)結(jié)：由同一種半導(dǎo)體材料不同摻雜區(qū)構(gòu)成的結(jié)。如p-n結(jié)。

異質(zhì)結(jié)：由不同半導(dǎo)體材料構(gòu)成的結(jié)。同型異質(zhì)結(jié)(nN,pP)異型異質(zhì)結(jié)(nPorpN)

異質(zhì)結(jié)構(gòu)概念半導(dǎo)體激光器具有不同禁帶的材料構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)，在能帶圖上形成局域化的跳變。這種勢(shì)能錯(cuò)開(kāi)提供了一個(gè)可控制載流子的勢(shì)壘。提高注入效率。能帶錯(cuò)開(kāi)可以用來(lái)將載流子限制在所需的區(qū)域。例如半導(dǎo)體激光器中的雙異質(zhì)結(jié)。通過(guò)選擇異質(zhì)結(jié)兩邊的材料，可以控制在發(fā)光的區(qū)域（直接禁帶材料）、吸收光的區(qū)域和透明的區(qū)域（窗口層）。異質(zhì)結(jié)兩邊具有不同折射率的材料，可以用來(lái)構(gòu)成波導(dǎo)，將光限制在選擇的區(qū)域。異質(zhì)結(jié)的用途：n1n2n2

第二章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的組成與生長(zhǎng)問(wèn)題？立方晶與六方晶的區(qū)別與聯(lián)系維達(dá)定理半導(dǎo)體合金材料（用途）MOCVDMBE自組織生長(zhǎng)RHEED第一節(jié)材料的一般特性第二節(jié)異質(zhì)結(jié)界面的晶格失配第三節(jié)金屬有機(jī)物化學(xué)氣相外延生長(zhǎng)第四節(jié)分子束外延法（MBE）內(nèi)容第一節(jié)材料的一般特性信息電子等方面的應(yīng)用需要，如通訊，顯示等半導(dǎo)體器件：發(fā)光，探測(cè)，半導(dǎo)體材料選擇：Si，Ge，GaAs，GaN襯底n型區(qū)p型區(qū)有源區(qū)

襯底的選取有源區(qū)材料的選取:l(mm)=1.24/Eg(eV)(2.1.1)

特定波長(zhǎng)可通過(guò)調(diào)節(jié)Eg獲得。不同材料Eg不同合金量子阱材料的實(shí)現(xiàn)；外延生長(zhǎng)質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)特性：XRD光學(xué)特性:PL電學(xué)特性:霍爾，I-V主要有兩類：立方晶cubic六方晶wurtzite晶格常數(shù):Si:5.43A,Ge:5.658AGaAs:5.56A,GaN:c=5.189A,a=3.192A1晶格結(jié)構(gòu)形成異質(zhì)結(jié)1雙原子層堆積2偶極層

立六方結(jié)構(gòu)1穩(wěn)態(tài)與亞穩(wěn)態(tài)2與襯底的關(guān)系，Si襯底技術(shù)3相的混入與抑制4超晶格？(0001)

GaN的生長(zhǎng)極性

（PolarityofWurtziteGaN）N-FaceGa-Face(0001)把兩種半導(dǎo)體A和B混合成合金時(shí)，（1）混合材料的晶體結(jié)構(gòu)。（2）原子在合金材料內(nèi)的分布狀況。設(shè)x為材料A的量，形成AxB1-x時(shí)，有以下幾種情況：#兩種材料分布在材料的不同區(qū)域，形成分凝相。在每個(gè)合金點(diǎn)上，A原子占據(jù)的概率為x,B原子占據(jù)的概率為(1-x).形成隨機(jī)合金材料。A原子和B原子按一定規(guī)則形成周期結(jié)構(gòu)，形成超晶格。在三元合金情況下,如GaAlAs,GaAlN,InGaN.禁帶寬度隨組分.2半導(dǎo)體合金材料Eg(GaxAl1-xN)=Eg(GaN)*x+Eg(AlN)*(1-x)–b*x*(1-x)superlatticePhaseseparationABAB對(duì)直接禁帶半導(dǎo)體材料，材料的禁帶寬度滿足：Eg(GaxIn1-xN)=Eg(GaN)*x+Eg(InN)*(1-x)–b*x*(1-x)Eg(GaxAl1-xN)=Eg(GaN)*x+Eg(AlN)*(1-x)–b*x*(1-x)禁帶寬度的經(jīng)驗(yàn)公式b適用范圍InGaN3.2(strained)X<0.20AlGaN0.25(strained)X<0.25InGaN

3.8(unstrained)

X<0.20Jpn.J.Appl.Phys.V36(1996),pp.L177-179波長(zhǎng)變長(zhǎng)Al組分減少時(shí)：波長(zhǎng)變短Al組分增加時(shí)：調(diào)節(jié)發(fā)光波長(zhǎng)形成異質(zhì)結(jié)AlGaNGaNAlNAlGaN1合金2相分離3超晶格4波長(zhǎng)調(diào)節(jié)晶體特性測(cè)量sapphireGaN1探測(cè)晶體結(jié)構(gòu)2評(píng)價(jià)結(jié)晶質(zhì)量AlGaNGaN例1對(duì)于c=5.189,(0002)面

d=c/l=2.59452dsin=n,q=arcsin(l/2d)=arcsin(1.5443/5.189)=17.312q=34.62deg第二節(jié)異質(zhì)結(jié)界面的晶格失配1晶格失配度:晶格失配度：a1a21懸掛鍵----界面態(tài)---晶體缺陷：位錯(cuò)、應(yīng)變。非輻射復(fù)合應(yīng)變（應(yīng)力-----能帶變化，----應(yīng)變量子阱若a1a2，則在異質(zhì)結(jié)界面處會(huì)存在應(yīng)力。若a1>a2，晶格常數(shù)大的材料1的原子受到壓縮應(yīng)力，而晶格常數(shù)小的材料2的原子受到拉伸應(yīng)力。這就使得界面附近的晶格常數(shù)不同于各自的體材料晶格常數(shù)，從而產(chǎn)生應(yīng)變。如果外延層很薄，足以承當(dāng)這種應(yīng)力，則可以使界面處維持晶體完整性而不出現(xiàn)位錯(cuò)。外延層厚度超過(guò)其臨界厚度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)晶格弛豫，應(yīng)變能被釋放出來(lái)，引進(jìn)一定密度的位錯(cuò)。等于交界處鍵密度之差.2懸掛鍵密度計(jì)算SL包含在這個(gè)面中的鍵數(shù)為2.可以看出，在（111）面上，異質(zhì)結(jié)界面態(tài)密度最小。然而實(shí)際的器件結(jié)構(gòu)中，由于（110）面易于解理這一性質(zhì)，常常利用它來(lái)作光學(xué)諧振腔面。相應(yīng)地，與其垂直的（100）常被用來(lái)作外延生長(zhǎng)的異質(zhì)結(jié)界面。因而，其界面態(tài)密度相對(duì)于其它晶面要高一些。(111)面上的懸掛鍵密度第三節(jié)金屬有機(jī)物化學(xué)氣相外延生長(zhǎng)襯底外延生長(zhǎng)1液相外延2氣相外延MOCVD3分子束外延也稱為MOVPE（金屬有機(jī)物氣相外延MetalorganicVaporPhaseEpitaxy）。它是在60年代末由Manasevit提出。由于其復(fù)雜性，它的發(fā)展比較緩慢，直到80年代中后期才成為比較成熟的晶體生長(zhǎng)技術(shù)。此后MOCVD得到了十分廣泛的應(yīng)用，日益成為介觀物理、半導(dǎo)體材料和器件的研究以及生產(chǎn)領(lǐng)域最重要的外延技術(shù)之一。在GaAs、InP和GaN材料系的應(yīng)用中，由它制備的材料和器件性能達(dá)到或超過(guò)了其它任何晶體外延技術(shù)的水平。與其它外延技術(shù)相比，MOCVD具有反應(yīng)室簡(jiǎn)單，材料純度高，生長(zhǎng)界面陡，操作容易，應(yīng)用范圍廣，可用于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn).這種方法的特點(diǎn)是，利用蒸汽壓高的金屬烷基化合物（甲基化合物，乙基化合物等），向襯底上輸送Al、Ga、In等元素進(jìn)行化合物半導(dǎo)體生長(zhǎng)，這些金屬有機(jī)物在氫氣氛中進(jìn)行熱分解析出金屬，同時(shí)甲基和乙基則變成甲烷和乙烷。MOCVD金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（MetalorganicChemicalVapor-phaseDeposition）MOCVD設(shè)備可分為四個(gè)系統(tǒng)：(1)載氣和源供應(yīng)系統(tǒng)，MOCVD所用的源有氣體源和需要用載氣攜帶的固、液體源；(2)反應(yīng)室和控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)又分為壓強(qiáng)、流量和溫度三個(gè)控制分系統(tǒng)，分別控制反應(yīng)室的壓強(qiáng)，載氣及氣體源的流量和反應(yīng)室的溫度等；(3)尾氣處理系統(tǒng)尾氣處理系統(tǒng)由裂解爐和噴淋塔組成，用于分解和吸收尾氣中的有毒物質(zhì)，減少污染；(4)安全保障系統(tǒng)。安全系統(tǒng)包括壓強(qiáng)、有毒氣體和可燃?xì)怏w報(bào)警裝置以及應(yīng)急反應(yīng)裝置，用于保證系統(tǒng)和操作人員的安全。表面復(fù)相反應(yīng)機(jī)制認(rèn)為：外延生長(zhǎng)是按照下列步驟進(jìn)行的，（1）反應(yīng)物氣體混合物輸運(yùn)到外延生長(zhǎng)區(qū)；（2）反應(yīng)物分子通過(guò)擴(kuò)散，穿過(guò)邊界層到達(dá)襯底表面（3）吸附分子間或吸附物與氣體分子間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成晶體原子和氣體副產(chǎn)物；（4）生成的晶體原子沿襯底表面擴(kuò)散到達(dá)襯底表面上晶格的扭折或臺(tái)階處結(jié)合進(jìn)晶體點(diǎn)陣；（5）副產(chǎn)物從表面脫附擴(kuò)散穿過(guò)邊界層進(jìn)入主氣流中被排出系統(tǒng)。外延生長(zhǎng)機(jī)制模型第四節(jié)

分子束外延法（MBE）分子束外延技術(shù)(MBE):本質(zhì)上是一個(gè)在超高真空條件下,對(duì)蒸發(fā)源和外延襯底溫度加以精確控制的薄膜蒸發(fā)技術(shù).MolecularBeamEpitaxyMBE設(shè)備真空系統(tǒng)、生長(zhǎng)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)生長(zhǎng)系統(tǒng)：進(jìn)樣室、預(yù)處理室（襯底存儲(chǔ)室）、生長(zhǎng)室監(jiān)控系統(tǒng)：四極質(zhì)譜儀：真空度檢測(cè)，監(jiān)測(cè)殘余氣體和分子束流的成分電離計(jì)：測(cè)量分子束流量電子衍射儀：觀察晶體表面結(jié)構(gòu)以及生長(zhǎng)表面光潔平整度俄歇譜儀：檢測(cè)表面成分、化學(xué)計(jì)量比和表面沾污等液氮冷卻：高真空，室壁原子飛向襯底極低背景壓力：用電子束監(jiān)視生長(zhǎng)在超高真空腔內(nèi)，源材料通過(guò)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。從源射出的分子束撞擊襯底表面被吸附被吸附的分子（原子）在表面遷移、分解原子進(jìn)入晶格位置發(fā)生外延生長(zhǎng)未進(jìn)入晶格的分子因熱脫附而離開(kāi)表面1MBE特點(diǎn)：MOCVD:1030OCMBE:700OCMBE生長(zhǎng)（1）表面凈化加溫GaAs573oC離子照射H原子照射。2生長(zhǎng)條件：V/IIIratio，襯底溫度。InsituSiRHEED像高能電子衍射ReflectionHighEnergyElectronDiffractionGrowthmechanismsSelfAssembedstructures量子點(diǎn)激光器量子點(diǎn)探測(cè)器芯片白光赫伯特-克勒默-個(gè)人概述

赫伯特-克勒默，來(lái)自美國(guó)加利福尼亞大學(xué)，他于1952年獲得德國(guó)哥丁根大學(xué)理論物理學(xué)碩士學(xué)位，畢業(yè)后一直致力于研究半導(dǎo)體設(shè)備。1963年，他提出了雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光的概念，是這一領(lǐng)域的先驅(qū)之一，他所提出的概念遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了當(dāng)時(shí)在半導(dǎo)體領(lǐng)域的研究水平。八十年代時(shí)，這種理念和相應(yīng)的技術(shù)才被大量應(yīng)用開(kāi)來(lái)。在到美國(guó)加利福尼亞大學(xué)從事實(shí)驗(yàn)研究之后，他研究出多種實(shí)用半導(dǎo)體技術(shù)，涵蓋了高性能設(shè)備、材料研究、固態(tài)物理等諸多新興領(lǐng)域。出色的研究成果曾為他贏得了多項(xiàng)國(guó)內(nèi)外大獎(jiǎng)全名卓爾斯?伊凡諾維奇?阿爾費(fèi)羅夫(Zhores

Ivanovich

Alfyorov)。蘇聯(lián)物理學(xué)家，與克勒默和基爾比一起為現(xiàn)代電腦和資訊技術(shù)做了許多基礎(chǔ)性工作，從而共獲2000年諾貝爾物理獎(jiǎng)。

阿爾費(fèi)羅夫于1970年從艾奧費(fèi)物理技術(shù)學(xué)院(A.F.Ioffe

Physico-TechnicalInstitute)獲得物理和數(shù)學(xué)博士學(xué)位；1987年成為該學(xué)院院長(zhǎng)。1950年代開(kāi)始研制用半導(dǎo)體異型結(jié)構(gòu)制作快速的光電和微電子元件(當(dāng)時(shí)大多數(shù)電腦晶片和其他半導(dǎo)體元件都是由一種材料如矽制作的，異型結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體是由不同材料層組成的)?？死漳睦碚撜J(rèn)為，異型結(jié)構(gòu)電晶體的性能要優(yōu)于傳統(tǒng)的電晶體，阿爾費(fèi)羅夫和他的研究小組用克勒默的理論，于1966年研制出第一個(gè)實(shí)用的異型結(jié)構(gòu)電子器件。之後，他們?cè)谟卯愋徒Y(jié)構(gòu)制作電子元件方面一直處于先驅(qū)的地位，包括第一支異型結(jié)構(gòu)雷射，這是由阿爾費(fèi)羅夫和克勒默于1963年各自提出的。異型結(jié)構(gòu)的固體雷射使光纖通信成為可能，後來(lái)，異型結(jié)構(gòu)的器件還用于通訊衛(wèi)星、條碼閱讀機(jī)、手提電話通信以及其他的產(chǎn)品。阿爾費(fèi)羅夫英文名：Alferov,Zhores

(1930.3.15,蘇聯(lián)白俄羅斯〔今白俄羅斯共和國(guó)〕維捷布斯克)上世紀(jì)六十年代初開(kāi)始將半導(dǎo)體材料作為激光媒質(zhì)，伯納德（Bernard）和杜拉福格（Duraffourg）提出在半導(dǎo)體中實(shí)現(xiàn)受激輻射的必要條件：對(duì)應(yīng)于非平衡電子，空穴濃度的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)差必須大于受激發(fā)射能量。由此，半導(dǎo)體激光器開(kāi)始了從同質(zhì)結(jié)到異質(zhì)結(jié)的快速發(fā)展過(guò)程，單異質(zhì)結(jié)最初由美國(guó)的克羅默（Kroemer）和前蘇聯(lián)的阿爾費(fèi)洛夫于1963年提出，其實(shí)質(zhì)是把一個(gè)窄帶隙的半導(dǎo)體材料夾在兩個(gè)寬帶隙半導(dǎo)體之間，從窄帶隙半導(dǎo)體中產(chǎn)生高效率復(fù)合和輻射，這個(gè)設(shè)想很大程度上取決于異質(zhì)結(jié)材料的生長(zhǎng)工藝，1967年IBM公司的伍德?tīng)枺╓oodall）用液相外延方法（LPE）在GaAs上生長(zhǎng)出AlGaAs，兩三年后，貝爾實(shí)驗(yàn)室的潘尼希（Panish）等人研制成功AlGaAs/GaAs單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器。雖然單異質(zhì)結(jié)能夠利用其勢(shì)壘將注入電子限制在GaAsP-N結(jié)的P區(qū)內(nèi)使室溫閾值電流密度降到水平，但真正的突破是雙異質(zhì)結(jié)（DH）的發(fā)明：把p-GaAs半導(dǎo)體夾在N-AlxGa1-xAs層和P-AlxGa1-xAs層之間，兩個(gè)異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘能有效地將載流子和光場(chǎng)限制在p-GaAs薄層有源層內(nèi)，使室溫閾值電流密度減小