GaN在光電子器件中的應(yīng)用

第一章引言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)和強的抗腐蝕能力，在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應(yīng)用方面有廣闊的應(yīng)用前景。GaN是極穩(wěn)定的化合物，又是堅硬的高熔點材料，熔點約為1700℃，GaN具有高的電離度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5或0.43）。在大氣壓力下，GaN晶體一般是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。它在一個元胞中有4個原子，原子體積大約為GaAs的一半。因為其硬度高，又是一種良好的涂層保護材料。其化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性尤其有利于制造高溫器件。其物理特性，包括寬禁帶、高擊穿、高飽和速度等，更有利于制造微波功率器件。更值得一提的是，由于A1xGa1-xN，InxGa1-xN的禁帶寬度可調(diào)，是可見光、紫外線光電子器件的理想選擇，工藝技術(shù)上，成功地實現(xiàn)了傳統(tǒng)的低壓、原子層的CVD淀積和A1GaN/InGaN的摻雜，從而獲得了高質(zhì)量GaN-A1GaN異質(zhì)結(jié)和A1GaN二維電子氣，優(yōu)良的二維電子氣傳輸特性使其能夠制造更加獨特的光電子器件。近年來，在材料生長方面的進展也很快，日本住友電氣公司(SEI)已經(jīng)首次生長2英寸單晶GaN襯底。同藍寶石相比，GaN能導(dǎo)電，便于頂層和底層同時制作電極，節(jié)省面積;襯底和外延層的材料相同，易于解理襯底和外延層的位錯少，可延長激光器的壽命。該公司計劃2001年開始出售GaN材料，這種單晶的商品化不僅加快激光器的開發(fā)，而且也有利于GaN電子器件的開發(fā)。用于GaN器件的外延材料生長，經(jīng)常采用MBE或者MOCVD技術(shù)。其外延材料結(jié)構(gòu)大多屬于六方或者立方型的晶體結(jié)構(gòu)，前者生長在藍寶石或者6H/4HSiC襯底上，當(dāng)前，大多數(shù)器件采用此類襯底。由于GaN具有十分優(yōu)良的材料性質(zhì)，所以被廣泛應(yīng)用于光電子器件中，比如光電器件、激光器和探測器等，隨著技術(shù)的發(fā)展，GaN的應(yīng)用越來越廣泛，它正以前所未有的速度影響著我們的日常生活。GaN的性質(zhì)GaN在一個無胞中有4個原子，原子體積大約為GaAs的一半。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。因其硬度高，又是一種良好的涂層保護材料。下面我們來瞭解下GaN的化學(xué)特性、電學(xué)特性和光學(xué)特性。2.1GaN的化學(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NaOH、H2SO4能較快的腐蝕質(zhì)量差的的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下，在高溫下呈現(xiàn)不穩(wěn)定特性，而在N2下最為穩(wěn)定。2.2GaN的電學(xué)特性GaN的電學(xué)特性是影響器件的主要因素。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，都是高補償?shù)?。很多研究小組都從事過這方面的研究工作，其中中村報道了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1014～1020/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1011～1020/cm3范圍。2.3GaN的光學(xué)特性人們關(guān)注的GaN的特性，旨在它在藍光和紫光發(fā)射器件上的應(yīng)用。Maruska和Tietjen首先精確地測量了GaN直接隙能量為3.39eV。幾個小組研究了GaN帶隙與溫度的依賴關(guān)系，Pankove等人估算了一個帶隙溫度系數(shù)的經(jīng)驗公式：dE/dT=－6.0×10－4eV/k。Monemar測定了基本的帶隙為3.503eV±0.0005eV，在1.6kT為Eg=3.503＋（5.08×10－4T2)/(T－996)eV。它在光電子器件如藍光、紫外、紫光等光發(fā)射二極體和鐳射二極體方面有著重要的應(yīng)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、綠光發(fā)光二極體和鐳射二極體LD(又稱雷射器)，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)光二極體的基礎(chǔ)，并且氮化鎵藍光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交通信號和指標燈，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，并向著高亮度、全彩色、大型化方向發(fā)展．2.4GaN材料生長GaN材料的生長是在高溫下，通過TMGa分解出的Ga與NH3的化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)的，其可逆的反應(yīng)方程式為：

Ga＋NH3=GaN＋3/2H2

生長GaN需要一定的生長溫度，且需要一定的NH3分壓。人們通常采用的方法有常規(guī)MOCVD(包括APMOCVD、LPMOCVD)、等離子體增強MOCVD(PE—MOCVD)和電子回旋共振輔助MBE等。所需的溫度和NH3分壓依次減少。本工作采用的設(shè)備是AP—MOCVD，反應(yīng)器為臥式，并經(jīng)過特殊設(shè)計改裝。用國產(chǎn)的高純TMGa及NH3作為源程序材料，用DeZn作為P型摻雜源，用(0001)藍寶石與(111)硅作為襯底采用高頻感應(yīng)加熱，以低阻硅作為發(fā)熱體，用高純H2作為MO源的攜帶氣體。用高純N2作為生長區(qū)的調(diào)節(jié)。用HALL測量、雙晶衍射以及室溫PL光譜作為GaN的質(zhì)量表征。要想生長出完美的GaN，存在兩個關(guān)鍵性問題，一是如何能避免NH3和TMGa的強烈寄生反應(yīng)，使兩反應(yīng)物比較完全地沉積于藍寶石和Si襯底上，二是怎樣生長完美的單晶。為了實現(xiàn)第一個目的，設(shè)計了多種氣流模型和多種形式的反應(yīng)器，最后終于摸索出獨特的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)器TMGa管道與襯底的距離，在襯底上生長出了GaN。同時為了確保GaN的質(zhì)量及重復(fù)性，采用硅基座作為加熱體，防止了高溫下NH3和石墨在高溫下的劇烈反應(yīng)。對于第二個問題，采用常規(guī)兩步生長法，經(jīng)過高溫處理的藍寶石材料，在550℃，首先生長250A0左右的GaN緩沖層，而后在1050℃生長完美的GaN單晶材料。對于Si襯底上生長GaN單晶，首先在1150℃生長AlN緩沖層，而后生長GaN結(jié)晶。生長該材料的典型條件如下：

?NH3：3L/min

?TMGa：20μmol/minV/Ⅲ=6500

?N2：3～4L/min

?H2：2<1L/min

人們普遍采用Mg作為摻雜劑生長P型GaN，然而將材料生長完畢后要在800℃左右和在N2的氣氛下進行高溫退火，才能實現(xiàn)P型摻雜。本實驗采用Zn作摻雜劑，DeZ2n/TMGa=0.15，生長溫度為950℃，將高溫生長的GaN單晶隨爐降溫，Zn具有P型摻雜的能力，因此在本征濃度較低時，可望實現(xiàn)P型摻雜

但是，MOCVD使用的Ga源是TMGa，也有副反應(yīng)物產(chǎn)生，對GaN膜生長有害，而且，高溫下生長，雖然對膜生長有好處，但也容易造成擴散和多相膜的相分離。中村等人改進了MOCVD裝置，他們首先使用了TWO—FLOWMOCVD(雙束流MOCVD)技術(shù)，并應(yīng)用此法作了大量的研究工作，取得成功。雙束流MOCVD生長示意圖如圖1所示。反應(yīng)器中由一個H2＋NH3＋TMGa組成的主氣流，它以高速通過石英噴平行于襯底通入，另一路由H2＋N2形成輔氣流垂直噴向襯底表面，目的是改變主氣流的方向，使反應(yīng)劑與襯底表面很好接觸。用這種方法直接在α—Al2O3基板(C面)生長的GaN膜，電子載流子濃度為1×1018/cm3，遷移率為200cm2/v?s，這是直接生長GaN膜的最好值。

第三章GaN光電子器件用于制造短波長發(fā)光二極管(LED)和激光器的，III一V族材料具有極大的吸引力。超高亮度藍光、綠光LED的商品化和第一只，III族氮化物激光器誕生后，更清楚地表明，該材料具有極大的應(yīng)用潛力。還值得指出，這類器件能夠開發(fā)的主要原因在于，人們成功地解決了三個關(guān)鍵技術(shù)。第一，采用緩沖層技術(shù)，即在藍寶石襯底上，低溫生長A1N或GaN層，獲得高純度的異質(zhì)結(jié);第二，摸清氫化物鈍化機理，采用Mg作受主雜質(zhì)，實現(xiàn)P型摻雜的GaN;第三，生長高質(zhì)量的合金層InxGa1-xN。

GaN材料系列是一種理想的短波長發(fā)光器件材料，GaN及其合金的帶隙復(fù)蓋了從紅色到紫外的光譜范圍。自從1991年日本研制出同質(zhì)結(jié)GaN藍色LED之后，InGaN/AlGaN雙異質(zhì)結(jié)超亮度藍色LED、InGaN單量子阱GaNLED相繼問世。目前，Zcd和6cd單量子阱GaN藍色和綠色LED已進入大批量生產(chǎn)階段，從而填補了市場上藍色LED多年的空白。以發(fā)光效率為標志的LED發(fā)展歷程見圖3。藍色發(fā)光器件在高密度光盤的信息存娶全光顯示、激光打印機等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用市常隨著對Ⅲ族氮化物材料和器件研究與開發(fā)工作的不斷深入，GaInN超高度藍光、綠光LED技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)商品化，現(xiàn)在世界各大公司和研究機構(gòu)都紛紛投入巨資加入到開發(fā)藍光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/AlGaN異質(zhì)結(jié)藍光LED，使用摻Zn的GaInN作為有源層，外量子效率達到2.7％,峰值波長450nm,并實現(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光LED產(chǎn)品。高亮度LED的市場預(yù)計將從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，交通信號和室外路標，平板金色顯示，高密度DVD存儲，藍綠光對潛通信等。

在成功開發(fā)Ⅲ族氮化物藍光LED之后，研究的重點開始轉(zhuǎn)向Ⅲ族氮化物藍光LED器件的開發(fā)。藍光LED在光控測和信息的高密度光存儲等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前Nichia公司在GaN藍光LED領(lǐng)域居世界領(lǐng)先地位，其GaN藍光LED室溫下2mW連續(xù)工作的壽命突破10000小時。HP公司以藍寶石為襯底，研制成功光脊波導(dǎo)折射率導(dǎo)引GaInN/AlGaN多量子阱藍光LED。Cree公司和Fujitsu公司采用SiC作為襯底材料，開發(fā)Ⅲ族氮化物藍光LED，CreeResearch公司首家報道了SiC上制作的CWRT藍光激光器，該激光器彩霞的是橫向器件結(jié)構(gòu)。富士通繼Nichia，CreeResearch和索尼等公司之后，宣布研制成了InGaN藍光激光器，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)，這是首次報道的垂直器件結(jié)構(gòu)的CW藍光激光器。

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。

3.1pn結(jié)LED1971年第一只GaNLED問世，由于當(dāng)時還不能進行GaN的P型摻雜，該器件只是一只MISLED。80年代末期，繼成功地實現(xiàn)GaN的p型摻雜之后，制作出第一只GaN的pn結(jié)LED。該器件結(jié)構(gòu)包括，在一層非摻雜的n型(N＝2*1017cm-3)GaN膜上，生長一層摻雜Mg的GaN層。3.2金屬一絕緣物一半導(dǎo)體LED盡管經(jīng)典型的金屬一絕緣物一半導(dǎo)體(MISLED)的發(fā)光效率低，不適合于屋外顯示，但在低光強度平面顯示方面，仍然有其市場。這些LED的峰值波長為485nm，其FWHM約70nm，并且有相當(dāng)長的壽命。3.3雙異質(zhì)結(jié)LED同質(zhì)結(jié)GaNLED存在的主要問題是雙波長(370～430nm)現(xiàn)象。其解決辦法是采用異質(zhì)結(jié)構(gòu)的LED，并能夠控制波長，即采用一種p-A1GaN/n-GaN/n-A1GaN雙質(zhì)結(jié)(DH)LED，也有人采用InGaN，將其波長轉(zhuǎn)變成藍光和綠光。3.4GaN激光器若干年來，人們一直關(guān)注寬禁帶氮化物在數(shù)字信息方面的應(yīng)用。數(shù)字信息存儲和讀取與顯示和發(fā)光應(yīng)用不同，它要求相干光源，即，激光。將相干光源的輸出聚焦成受衍射限制點，并允許光學(xué)系統(tǒng)能夠非常精確地記錄和讀取。光波波長越短，聚焦直徑越小，能記錄的密度也就越高。GaN基激光器的波長很短。采用藍光和UV波長的半導(dǎo)體激光器，能夠提供的儲存密度將超過1Gb/cm2。從發(fā)現(xiàn)GaN激光器以來，人們已經(jīng)開展了許多研究工作，包括，垂直腔體表面發(fā)射激光器(SEL)、常規(guī)的識別限制異質(zhì)結(jié)構(gòu)邊緣發(fā)射激光器和四元的激光器等。寬禁帶Ⅲ-Ⅴ族GaN基半導(dǎo)體材料在發(fā)光二極管、激光器、光電探測器以及高溫、高頻和大功率電子器件等方面有著誘人的應(yīng)用前景和巨大的市場需求,是近年來光電子材料領(lǐng)域研究的熱門課題。特別是發(fā)光波段在400-410nm的GaN基藍紫光激光器是高密度光存儲系統(tǒng)中最有希望的光源,因此制作藍紫光短波長的激光器一直是人們研究的焦點,但GaN基激光器材料的生長和器件的制備方面還存在一些困難,特別是GaN基材料的P型摻雜、厚且無裂的AlGaN材料生長、高質(zhì)量的P型GaN歐姆接觸等。本文針對以上一些問題并結(jié)合GaN基激光器的研制工作開展了一系列的相關(guān)的研究,比如:一維光場模擬、相關(guān)材料的生長和低P型歐姆接觸的研究。主要包括以下內(nèi)容:1)采用傳輸矩陣的方法對GaN基激光器的光場分布進行一維理論模擬,并分析了各層材料及結(jié)構(gòu)對GaN基激光器光場分布的影響。模擬發(fā)現(xiàn):當(dāng)增加N型限制層Al_xGa_(1-x)N/GaNSLS的厚度和Al組分,或者在N型限制層較薄的情況下適當(dāng)增加波導(dǎo)層厚度時,都能抑制反波導(dǎo)行為;而在保證質(zhì)量的情況下,N型接觸層的厚度則是越薄越好。值得一提的是,研究中首次發(fā)現(xiàn),當(dāng)波導(dǎo)層采用InGaN或InGaN/GaNSLS結(jié)構(gòu)時,對光的限制能力將會明顯提高,相應(yīng)地閾值電流密度會降低。以獲得大的光場限制因子和低的閾值電流密度為目標,優(yōu)化出了各層材料參數(shù):分別取N和P型接觸層GaN的厚度為2000nm和200nm情況下,N型限制層Al_xGa_(1-x)N/GaNSLS厚度600nm(120對超晶格),Al組分為0.22;N型波導(dǎo)層GaN厚度90nm,有源區(qū)In_(0.14)Ga_(0.86)N/GaN量子阱數(shù)為2;P型電子阻擋層Al_(0.2)Ga_(0.8)N厚度10nm;P型波導(dǎo)層GaN厚度70nm;P型限制層Al_xGa_(1-x)N/GaNSLS厚度300nm(60對超晶格),Al組分為0.22。2)研究了TMAl的流量和生長溫度對AlGaN材料的的影響,重點研究如何獲得厚且無裂AlGaN材料,本文采用AlGaN/GaN超晶格代替厚的AlGaN的生長,獲得厚且無裂的限制層材料。3)理論分析InGaN/GaNMQW有源區(qū)發(fā)射波長與阱和壘的組分、厚度關(guān)系,發(fā)現(xiàn)通過適當(dāng)組合阱和壘的In組分與厚度,可以調(diào)整發(fā)射波長。并通過生長LED結(jié)構(gòu)來優(yōu)化有源區(qū),改變有源區(qū)阱的生長溫度,發(fā)現(xiàn)其溫度變化與發(fā)射波長呈線性關(guān)系,由此可以通過調(diào)節(jié)阱溫,獲得特定發(fā)射波長,并且還討論了變溫生長對InGaN/GaNMQW光學(xué)特性的影響。4)研究了獲得p-GaN歐姆接觸的低接觸電阻方法。①對p-GaN表面預(yù)處理方法和合金化的時間、溫度、氛圍進行了優(yōu)化。②在對該工藝優(yōu)化的基礎(chǔ)上,對比分析了兩種不同材料的歐姆接觸,即體材料p-GaN和采用p-InGaN/p-GaN超晶格薄層為頂層的p型材料。研究發(fā)現(xiàn),在p-GaN上直接沉積一層p-InGaN/GaN超晶格薄層材料能夠有效降低歐姆接觸電阻,并在優(yōu)化接觸工藝為550℃、氧氣氛圍下合金30分鐘的條件下,獲得較低的比接觸電阻率1.99×10~(-4)Ωcm~2。③對p-InGaN/p-GaN超晶格薄層形成低阻歐姆接觸的原因進行了理論分析,首次研究了超晶格薄層中p-GaN層溫度變化對歐姆接觸的影響,以及超晶格層生長過程中以p-GaN或者p-InGaN作為終止層時對歐姆接觸性能的影響。發(fā)現(xiàn)在較低溫度下生長p-GaN有利于歐姆接觸的形成,而值得注意的是,以p-InGaN作為終止層可以獲得更低的歐姆接觸,針對此結(jié)果,文中進行了較為深入的分析。④應(yīng)用應(yīng)變平衡理論,首次提出用p-InGaN/p-AlGaN超晶格代替p-InGaN/p-GaN超晶格層做p-GaN的頂層,并獲得更低的歐姆接觸電阻,其比接觸電阻率為:7.27×10~(-5)Ω.cm~2。并從能帶和空穴電荷密度兩個方面分析接觸電阻降低的原因。最后把應(yīng)變補償效應(yīng)的超晶格材料應(yīng)用在發(fā)光二極管(LED)上,相對常規(guī)LED而言,獲得較低的工作電壓。3.5異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(HFET)光探測器該器件以0.2vm柵長的A1GaN/GaNHFET為基礎(chǔ)，其機理是利用穿透光載流子引起器件閩值電壓的漂移，該HFET可作為微波放大器。非可見光短柵A1GaN/GaNHFET紫外光探測器的響應(yīng)度高達3000A/W。其工作溫度高達300C，室溫下，最高振蕩頻率fmax和截止頻率ft分別為70GHz和22GHz。AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管（HFET）的相關(guān)工藝和特性表征的研究。這里的相關(guān)工藝包括AlGaN/GaN的歐姆接觸、肖特基接觸和金屬/介質(zhì)/AlGaN/GaNMIS結(jié)構(gòu)的工藝制備和特性表征。在AlGaN/GaN的歐姆接觸研究中，除分析了Ti/Al/Ti/Au和幾種Ti/Al/Ni/Au疊層結(jié)構(gòu)的接觸電阻外，討論歐姆接觸退火導(dǎo)致AlGaN出現(xiàn)裂縫以及Ti/Al/Ti/Au歐姆接觸出現(xiàn)短路的現(xiàn)象。通過進一步的實驗分析，發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象是由于金屬Ti和Al的共同作用下，引起AlGaN層過大的張應(yīng)力，直至造成裂紋及裂紋中引入金屬TiNx，從而導(dǎo)致金屬之間短路。實驗結(jié)果表明，相對于Ti/Al/Ti/Au歐姆接觸，Ti/Al/Ni/Au歐姆接觸具有更好的熱穩(wěn)定性和更低的接觸電阻。AlGaN/GaN的常規(guī)肖特基接觸和刻蝕臺面邊緣肖特基接觸結(jié)構(gòu)，利用設(shè)計的壟溝結(jié)構(gòu)證實了臺面邊緣的漏電現(xiàn)象，并通過不同溫度下的電學(xué)測量和理論分析得出結(jié)論：不論AlGaN/GaN的普通肖特基接觸還是的刻蝕臺面邊緣肖特基接觸，反向泄漏電流在常溫和更高的溫度下以Frenkel-Poole陷阱輔助電子熱發(fā)射電流為主。分析了Si3N4、SiO2和Al2O3分別作為介質(zhì)的金屬/介質(zhì)/AlGaN/GaNMIS結(jié)構(gòu)。研究表明，采用最為常用的介質(zhì)PECVDSi3N4作為AlGaN/GaNHFET器件柵絕緣層，其MIS結(jié)構(gòu)有比常規(guī)肖特基接觸更小的正、反向泄漏電流；PECVDSiO2MIS雖有極小的正、反向泄漏電流，但耐擊穿能力很差；開發(fā)出電子束蒸發(fā)Al再熱氧化形成的Al2O3的絕緣柵介質(zhì)制備工藝。與其他介質(zhì)MIS結(jié)構(gòu)相比，Al2O3的絕緣柵MIS結(jié)構(gòu)具有最小的反向泄漏電流和很好的抗擊穿能力。與常規(guī)肖特基接觸下溝道二維電子氣（2DEG）面密度相比，Si3N4介質(zhì)MIS結(jié)構(gòu)中柵下溝道電子濃度較大，而Al2O3介質(zhì)的相應(yīng)溝道電子濃度則較小。討論了AlGaN/GaNHFET器件的基本原理、制造工藝，給出了幾種HFET器件的直流特性。結(jié)果表明，PECVDSi3N4的鈍化可導(dǎo)致AlGaN/GaNHFET器件的閾值電壓向負電壓方向漂移，并導(dǎo)致柵泄漏電流的顯著增大。而電子束蒸發(fā)Al再熱氧化形成的Al2O3介質(zhì)MISHFET雖然使跨導(dǎo)下降，但提高了電壓工作范圍，降低了柵泄漏電流。3.6異質(zhì)結(jié)絕緣柵場效應(yīng)晶體管(HIGFET)在高偏壓下，由于介質(zhì)中熱電子的陷阱效應(yīng)，導(dǎo)致GaN/Si3N4HIGFET的電流一電壓塌陷，只要光照則能恢復(fù)，類似于某些材料的低溫效應(yīng)。然而，GaN器件在室溫下，就具有此種效應(yīng)，使其更適合于實際應(yīng)用。圖I給出A1GaN/GaNHIGFET的電流一電壓特性。3.7高速、低噪聲紫外光探測器紫外(UV)光探測器具有廣闊的應(yīng)用前景，譬如，太陽天文學(xué)，導(dǎo)彈火舌探測，燃燒過程監(jiān)控等，UV發(fā)射光藉能夠提供有關(guān)發(fā)射源的重要信息。然而，由于UV發(fā)射光譜位于可見光和紅外光之間，只有高靈敏度的探測器，才能探測目前長波長探測不到的微弱的光信號。由于m族氮化物具有高的量子效應(yīng)，具有噪聲低、信號陡峭、邊帶可調(diào)的優(yōu)點，將其應(yīng)用于該領(lǐng)域，前途無量。近期，有關(guān)GaN基的光導(dǎo)體、pn光二極管、響應(yīng)度高的肖特基光二極管也己有報道。近來的研究工作，主要集中在如何充分利用pin結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，以期獲得更高的靈敏度和更快的反應(yīng)速度。例如，GaN和A1GaN/GaNpinUV光二極管的響應(yīng)度和響應(yīng)時間，已分別達到O.15A/W和12ns。零偏壓下，其NEP值分別為4和8.3，將頂部P型層的GaN換成Al0.12Ga0.88N，可改善其響應(yīng)，并降低響應(yīng)時間[[5]。該器件采用反應(yīng)分子束外延技術(shù)，將其pin結(jié)構(gòu)生長在C平面的藍寶石襯底上。GaN同質(zhì)結(jié)構(gòu)包括下述多層材料:(a)薄的A1N緩和層;(b)3vmSi-GaNn層;(c)lvmGaNi層:(d)0.2im摻Mg的GaNp型層;(e)lOnmA1GaN鈍化層。相關(guān)的光電子器件還有:GaN光電探測器，GaN-A1GaN四分之一波長整流器，GaN,A1GaN,InGaN同質(zhì)一異質(zhì)結(jié)LED等。第四章GaN高功率、高溫電子器件對于高功率、高溫電子器件，GaN,SiC等寬禁帶材料具有誘人的材料性質(zhì)，幾乎是微波功率應(yīng)用的理想材料。這些性質(zhì)包括，寬禁帶寬度、高載流子速度、高熱導(dǎo)率和高擊穿電壓。它表明，用該種材料制作的器件將具有:高功率、高效率和耐高溫等特點。理論上預(yù)測，室溫下，這類器件的微波功率將比同類的GaAs器件高出四分之一。此外，其工作溫度將在500℃以上，而GaAs器件則不能。GaN寬禁帶的性質(zhì)導(dǎo)致其低的本征載流子濃度，可在較寬的溫度范圍內(nèi)，精確地控制自由載流子濃度。4.1GaNMESFETGaNMESFET的材料結(jié)構(gòu)和工藝制作都較簡單。即采用低壓MOCVD技術(shù)，并且利用一層A1N薄膜，將其制作在藍寶石襯底上，以提高GaN膜的質(zhì)量。幾種A1GaN/GaN場效應(yīng)管的直流參數(shù)測量表明，其工作溫度可達到300℃以上。4.2A1GaN/GaN雙異質(zhì)結(jié)溝道MODFETA1GaN/GaN材料結(jié)構(gòu)的突出優(yōu)點是，高遷移率和高載流子濃度。大多數(shù)優(yōu)良的器件采用該種材料結(jié)構(gòu)。較高的A1組分有利于提高A1GaN的禁帶寬度，因此，獲得比寬禁帶GaN還高的擊穿電場，形成更大的導(dǎo)帶不連續(xù)(△E})改善載流子的束縛。近年來，其功率密度已有明顯進展，已從2GHz下，1.1W/mm，提高到18GHz下，3W/mm;柵長和溝道分別約為1.5～1.7vm和3vm的A1GaN/GaN雙異質(zhì)結(jié)溝道MODFET;室溫下，其最大漏電流和跨導(dǎo)分別約為11OOmA/mm和270ms/mm;在夾斷電壓附近，漏擊穿電壓～80V;將溫度提高到300℃時，其最大漏源電流和跨導(dǎo)分別約為5OOmA/mm和120ms/mm。4.3GaN基HBT據(jù)報道，GaN/SiCHBT具有高的電流增益。GaN和SiC的禁帶寬度分別為3.4和2.9eV，兩者都具有高的熱導(dǎo)率，分別為1.3W/cm0C和S.OW/cm0C。兩種材料相當(dāng)匹配。可以采用n型摻雜，濃度為1.8*1018cm-3的SiC襯底作為集電極。另外，還有有關(guān)GaN/InGaN/GaNHBT等的報道。而用于大功率通信和雷達的功率放大器的A1GaN/GaNnpnHBT，其高溫工作的溫度也可達到3000C。第五章高擊穿器件5.1高壓GaN肖特基整流器寬禁帶二極管是高功率、高溫度應(yīng)用.的誘人器件。它可用于許多方面，譬如，重型馬達的固態(tài)驅(qū)動器，電動車輛或者船舶的脈沖功率源，電動汽車和設(shè)備發(fā)射機以及配電器。至今，人們比較關(guān)注的器件是，閘流管，絕緣柵雙極晶體管，pin和肖特基整流管。同SiC器件相比，GaN單極晶體管將具有較高的開關(guān)速度和保持電壓。據(jù)報道，已經(jīng)研制出反向擊穿電壓(VRB)達到350～450V的簡單肖特基整流器。肖特基整流器誘人的特點在于，較快的開關(guān)速度和較低的正向壓降。臺面型和平面型的GaN肖特基二極管整流器的反向擊穿電壓(VRB)已分別達到SSOV和大于2kV，其室溫下開態(tài)電阻RON、分別為6mΩcm2，和0.8mΩcm2·室溫下，隔離層3wm厚的平面型二極管的電流一電壓特性如圖2所示。美國Sandia國家實驗室等也己研制GaN肖特基整流器，其反向擊穿電壓達到2kV以上，對于高壓開關(guān)具有特別重要的意義。5.2MODFET當(dāng)A1o.25Ga0.75N/GaNHEMT柵一漏間距為1,2和3vm時，柵一漏擊穿電壓可分別達到100，160和220V。而Al0.5Ga0.5N/GaNHEMT的柵一漏擊穿電壓則可提高百分之二十，當(dāng)柵一漏間距為3vm時，其柵一漏擊穿電壓大于284V。5.3A1GaN/GaNMOSHFET該器件采用MOCVD技術(shù)，在藍寶石上，生長A1GaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，制作高質(zhì)量的Si02-A1GaN界面，如圖3所示。即先后生長AIN緩沖層5Onm;絕緣層GaNlvm:n-GaN層5Onm摻雜濃度2*1017Cm-3～5*1017cm-3;Alo.2Gao.8N30nm勢壘層，摻雜Si，濃度2X1018cm-3。從測量結(jié)果表明，該器件的漏泄電流比類似的HFET小6個數(shù)量級，如圖4所示。該器件的寄生電容比HFET的小得多;測量結(jié)果還表明，即使環(huán)境溫度達到300C，其柵電流仍然很低。作為微波器件的MOSHFET，這些特性尤其重要。它將是高頻率、高速度應(yīng)用的一種獨特器件。5.4GaN結(jié)型場效應(yīng)晶體管(JFET)從MESFET,MODHFET和JFET的比較可知，由于JFET的pn結(jié)自建勢比前兩種器件高，因此，其具有較高的起始電壓和較低的反向漏泄電流。該特性對于高溫工作的器件尤其重要。另外，結(jié)型柵已經(jīng)過高溫生長的工藝，將其表面有效地埋藏，金屬溫定性好。JFET可以采用離子注入或是外延生長等工藝制作。采用MOCVD外延生長工藝的JFET的結(jié)構(gòu)，如圖5所示?！撈骷臇砰L0.8vm，結(jié)擊穿電壓56V，其式ft和fmax分別是6GHz和12GHz。5.5GaN的應(yīng)用前景

對于GaN材料，長期以來由于襯底單晶沒有解決，異質(zhì)外延缺陷密度相當(dāng)高，但是器件水平已可實用化。1994年日亞化學(xué)所制成1200mcd的LED，1995年又制成Zcd藍光(450nmLED)，綠光12cd(520nmLED);日本1998年制定一個采用寬禁帶氮化物材料開發(fā)LED的7年規(guī)劃，其目標是到2005年研制密封在熒光管內(nèi)、并能發(fā)出白色光的高能量紫外光LED，這種白色LED的功耗僅為白熾燈的1/8，是熒光燈的1/2,其壽命是傳統(tǒng)熒光燈的50倍～100倍。這證明GaN材料的研制工作已取相當(dāng)成功，并進入了實用化階段。InGaN系合金的生成，InGaN/AlGaN雙質(zhì)結(jié)LED，InGaN單量子阱LED，InGaN多量子阱LED等相繼開發(fā)成功。InGaNSQWLED6cd高亮度純綠茶色、2cd高亮度藍色LED已制作出來，今后，與AlGaP、AlGaAs系紅色LED組合形成亮亮度全色顯示就可實現(xiàn)。這樣三原色混成的白色光光源也打開新的應(yīng)用領(lǐng)域,以高可靠、長壽命LED為特征的時代就會到來。日光燈和電燈泡都將會被LED所替代。LED將成為主導(dǎo)產(chǎn)品，GaN晶體管也將隨材料生長和器件工藝的發(fā)展而迅猛發(fā)展，成為新一代高溫度頻大功率器件。第六章GaN材料的優(yōu)缺點一方面GaN材料有以下優(yōu)點：①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；②導(dǎo)帶底在Γ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場漂移速度（電子漂移速度不易飽和）；③GaN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）；④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)生很強的壓電極化（極化電場達2MV/cm）和自發(fā)極化（極化電場達3MV/cm），感生出極高密度的界面電荷，強烈調(diào)制了異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)，加強了對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?？傊瑥恼w來看，GaN的優(yōu)點彌補了其缺點，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）還往往要遠優(yōu)于現(xiàn)有的一切半導(dǎo)體材料.另一方面，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），例如位錯密度達到了108~1010/cm2（雖然藍寶石和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1017cm-3（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；雖然容易實現(xiàn)n型摻雜（摻Si可得到電子濃度1015~1020/cm3、室溫遷移率＞300cm2/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1017~1018/cm3，遷移率＜10cm2/V.s，摻雜效率只有0.1%~1%（可能是H的補償和Mg的自身電離能較高所致）。因為GaN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)?，F(xiàn)在比較好的一種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現(xiàn)歐姆接觸，但這種工藝較復(fù)雜?？傊瑲W姆接觸是GaN器件制造中需要很好解決的一個主要問題。結(jié)束語由于寬禁帶半導(dǎo)體材料GaN具有十分優(yōu)良的材料性質(zhì)。既能用于光電子器件，譬如，藍光和藍-綠光LED,激光器和探測器等，又能用于高功率/高溫度微波電子器件和高擊穿的特種器件。其應(yīng)用范圍如此廣泛的材料實屬難得，可以相信，在其相關(guān)領(lǐng)域中，它將會繼續(xù)發(fā)出璀璨的光彩。參考文獻［1］袁明文等，氮化鉀微波電子的進展。半導(dǎo)體情報，1996,36（6）［2］呂紅亮等，化合物半導(dǎo)體器件,153-160［3］GaN基材料和器件輻照可靠性研究［4］D.C.Look,etal,DefectDonorandAcceptorinGaN,PhysicalReviewLetters,1997,vol.79,no.12:2273-2276.［5］J.Neugebaurer,C.G.VanderWalle,AtomicgeometryandelectronicstructureofnativedefectsinGaN,PhysicalReviewB,1994,vol.50,no.11:8067-8070.［6］S.A.Goodman,F.D.Auret,M.J.Legodi,B.BeaumontandP.Gibart,Characterizationofelectron-irradiatedn-GaN,AppliedPhysicsLetters,vol.78,3815,2001.［7］J.W.McClory,J.C.Petrosky,TemperatureDependentElectricalCharacteristicsofNeutronIrradiatedA1GaN/GaNHFETs,IEEETransactionsonNuclearScience,Dec.2007,vol.54,no.6:1969-1974.［8］K.H.Chow,etal,DetectionofInterstitialGainGaN,PhysicalReviewLetters,2000,vol.85,no.13:2761-2764.［9］D.C.Look,etal,OntheNitrogenVacancyinGaN,AppliedPhysicsLetters,2003,vol.83,no.17:3525-3527.［10］HogsedMR,DeepLevelDefectsinElectron-IrradiatedAluminumGalliumNitrideGrownByMolecularBeamEpitaxy,AirForceInstituteoftechnology(AU),Wright-PattersonAFB,OHSeptember2004(ADA420816).［11］EmtsevVV,DavydovVYu,KozlovskiiVV,BehaviorofElectricallyactivePointDefectsinIrradiatedMOCVDn-GaN,Physica1999,273-274:101-104.［12］K.Saarinen,etal,GavacanciesinelectronirradiatedGaN:introduction,stability,andtemperaturedependenceofpositrontrapping,PhysicaB,2001,vol.308-31:77-80.［13］P.J.Mcwhorter,andP.S.Winokur,SimpleTechniqueforSeparatingTheEffectsofInterfaceTrapsandTrapped-OxideChargeinMOSTransistors,Appl.Phys.Lett.,1986,48(2):133-135.［14］K.F.Galloway,M.GaitanandT.J.Russell