GaN基材料特性、所制器件、器件研究及其研究发展1.引言：（1）GaN是极稳定、坚硬的高熔点材料，熔点约为1700℃，GaN具有高的电离度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5或0.43）。

在大气压力下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。

它在一个无胞中有4个原子，原子体积大约为GaAs的一半。

是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，并与SiC、金刚石等半导体材料一起，被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP 化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。

因其硬度高，又是一种良好的涂层保护材料。

下面我们来了解下GaN的化学特性、电学特性和光学特性。

（2）氮化镓（GaN）基半导体材料是继硅和砷化镓基材料后的新一代半导体材料，被称为第三代半导体材料，它具有宽的带隙，优异的物理性能和化学性能。

氮化镓基激光器的波长可以覆盖从紫外光到可见光这样一个很宽的频谱范围，氮化镓基激光器在光信息存储、光显示、激光打印、激光全色显示、大气环境检测等领域有着重要的应用前景和巨大的市场需求。

（3）以GaN基半导体低维电子体系和光子体系为主要对象, 通过GaN基大失配异质结构的外延和精细微加工，探索和研究GaN基半导体中电子和光子的行为及其相互作用，解决国家经济建设和国防建设有重大需求的 GaN基光电子器件（包括短波长发光二极管(LED)、激光二极管(LD)和紫外光探测器）和微电子器件(主要为高温、高功率微波晶体管)研制与应用中的关键科学与技术问题，推动宽禁带半导体光电子学和微电子学的发展。

（4）GaN基LED以其寿命长、耐冲击、抗震、高效节能等优异特性在图像显示、信号指示、照明以及基础研究等方面有着极为广泛的应用前景，成为半导体领域的研究热点，国内外很多科研机构和企业先后开展了GaN基材料、器件的相关研究，在材料质量、器件指标等方面取得了重要进展。

同时对GaN基LED的可靠性也进行了比较深入的研究。

2.正文：一．GaN的材料特性1、GaN的化学特性在室温下，GaN不溶于水、酸和碱，而在热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶解。

NaOH、H2SO4和H3PO4能较快地腐蚀质量差的GaN，可用于这些质量不高的GaN晶体的缺陷检测。

GaN在HCL或H2气下，在高温下呈现不稳定特性，而在N2气下最为稳定。

2、GaN的电学特性GaN的电学特性是影响器件的主要因素。

未有意掺杂的GaN在各种情况下都呈n型,最好的样品的电子浓度约为4×1016/cm3。

一般情况下所制备的P型样品，都是高补偿的。

据有关研究人员报告GaN最高迁移率资料在室温和液氮温度下分别为μn=600cm2/v•s和μn=1500cm2/v•s，相应的载流子浓度为n=4×1016/cm3和n=8×1015/cm3。

近年报导的MOCVD沉积GaN层的电子浓度数值为4×1016/cm3、<1016/cm3；等离子启动MBE的结果为8×103/cm3、<1017/cm3。

未掺杂载流子浓度可控制在1014～1020/cm3范围。

另外，通过P型掺杂工艺和Mg的低能电子束辐照或热退火处理，已能将掺杂浓度控制在1011～1020/cm3范围。

3、GaN的光学特性人们关注的GaN的特性，旨在它在蓝光和紫光发射器件上的应用。

氮化镓晶体管是直接带隙半导体材料,在室温下有很宽的带隙(3.39eV)。

它在光电子器件如蓝光、紫外、紫光等光发射二极管和激光二极管方面有着重要的应用。

作为第三代半导体材料的代表，氮化镓（GaN）基材料可制成高效蓝、绿光发光二极管和激光二极管LD（又称激光器），并可延伸到白光，将替代人类沿用至今的照明系统。

氮化镓（GaN）基材料奠定了解决白色发光二极管的基础，并且氮化镓蓝光LED相关材料及器件广泛应用于全色大屏幕显示器，高亮度LED交通信号和指针灯，以氮化镓为基础的高亮度半导体LED具有体积小、寿命长、功耗低等优点，并向着高亮度、全彩色、大型化方向发展。

二．GaN的所制器件1.GaN蓝绿光激光器氮化镓基蓝紫色激光器如果用做光记录和存储可以提高光盘存储密度近1个量级，在一张12cm 的光盘上可以实现单层碟片25GB的存储容量，双层碟片的50GB以上存储容量；氮化镓基蓝色激光器可以和现有的红色激光器、倍频的全固化绿色激光器一起，作为彩色显示的全固体标准三基色光源，实现三基色的平衡和全真彩的显示，只有使用半导体激光器才有可能使激光电视真正走进普通老百姓家庭；如果激光打印机采用氮化镓基蓝色激光器，其分辨率可以从现在标准的600dpi提高到1200dpi；氮化镓基蓝色激光器可用于捕获和阻尼铯原子的热振动，消除因热振动而引起的多普勒加宽，为光谱线的精确计量提供保证；对海水来说，蓝绿激光是一个透明窗口，在军事上，可以用这个波段的激光进行探测潜艇位置和潜艇通信、潜艇导航及鱼雷跟踪，在环境科学方面，可以用于海洋污染监测，海底形貌成像等。

2.紫外光探测器GaN基紫外探测器具有太阳光盲（Solar-blind，也称为日盲）、量子效率高、能够在高温和苛性环境下工作等不可比拟的优点，在实际应用中可以做到虚警率低、灵敏度高、抗干扰能力强，受到了人们极大的关注。

从应用角度来说，GaN基紫外探测器分为单元器件、阵列器件两种。

单元器件由于不能用于扫描成像，从而限制了其应用领域，而紫外探测器阵列，特别是凝视型焦平面阵列，能够应用于成像系统，能够准确的判断目标，大大拓展了其应用空间。

制备出大规模、高性能的GaN基紫外探测器焦平面阵列是GaN基紫外探测器发展的最高目标。

大规模太阳盲GaN基紫外探测器焦平面的研制成功，对于增强我国科学技术实力有重大意义。

正是因为GaN紫外探测器的巨大的应用前景，国际上已经在GaN紫外探测器方面取得了骄人的成绩，在2000年以前，主要集中在响应截止波长为365nm的可见光盲（Visible-blind）的GaN基紫外探测器的单元器件的制备，先后制备出肖特基结构、pin结构等多种结构的高性能的单元器件；在2000年以后，把目标主要集中在阵列器件和响应截止波长为280nm的太阳盲（Solar-blind, 也叫日盲）GaN基紫外探测器的研究上，不仅成功制备出响应截止波长为365nm的可见光盲的32×32、128×128的紫外探测器焦平面阵列，而且还制备出较高性能的MSM结构、肖特基结构、pin结构的响应截止波长为280nm的太阳盲紫外探测器单元器件。

三．GaN的器件研究1.GaN基材料激光剥离研究GaN基半导体材料和器件发展的一个重大问题是由于没有合适的衬底而造成的外延层质量问题，解决这个问题的一种可能途径是利用对衬底透明的短脉冲激光将GaN外延层从宝石衬底上剥离下来，再用HVPE生长技术制成GaN衬底，用以实现同质外延；而且这种技术还能大幅度的改进GaN基LED和LD的工艺流程。

探索实现激光剥离技术是当前的国际上的一个研究热点。

本实验室对这种技术进行了较系统的研究，深入探讨了剥离的物理过程，研究了剥离过程中应力应变和晶体微结构的变化，优化了激光参数、几何配置等，取得了较好成果。

目前本实验室达到的水平处于世界先进行列，已经能完整均匀地剥离极薄的（~2微米厚）2 英寸直径的GaN外延片；并利用激光剥离技术改善和简化了GaN基LD和LED器件的制备工艺，提高了器件性能；结合芯片键合技术研发出我国第一只垂直结构、上下电极的蓝光LED芯片。

这些成果引起国内外同行的很大关注。

2.GaN 基光子晶体研究实现半导体照明的一个关键是如何大幅度提高发光器件的光抽运效率。

本实验室提出并成功地发展了基于光学微腔和光子晶体概念的新型LED结构，为解决这个难题提供了新的途径，而且也发展了光子晶体这个新的领域。

本实验室利用聚焦离子束(FIB)技术在国内率先系统地开展了GaN基光子晶体的研究，成功地制备出周期为283nm的深刻蚀GaN基一维光子晶体(GaN/Air 1D-PC)，是迄今相应微结构中周期最小的；其中405 nm 波段的GaN基一维光子晶体的镜面反射率可高达解理面的3倍；采用FIB技术研制GaN 基二维光子晶体和光子准晶，均为国内外首次；首次观测到二维光子准晶对GaN基电注入发光器件导波模式的抑制和辐射模式的增强作用。

四．GaN基发光二极管的可靠性研究进展1．新型封装材料的应用LED产品封装材料采用是最新研究而成的硅树脂。

这种硅树脂具有更好的机械特性，能承受更高的温度，而且对紫外线照射和高强度蓝光辐射引起的褐色化具有更强的抵抗能力。

在室温条件下，5mm传统环氧树脂封装的GaN基白色LED采用20mA驱动电流，硅树脂封装的大功率LED驱动电流为350mA，工作10000h后，5mm的白色LED衰减了65％，而大功率的LED仅衰减了10％左右。

2.改善散热条件高温使塑料封装的透明度降低，影响GaN基LED器件的半透明欧姆接触和p型GaN的上表面，导致串联电阻增加，还会引起缺陷的产生，所以改善散热条件是提高器件可靠性的重要方法。

通过激光剥离技术，把GaN基蓝色LED从散热性不好的蓝宝石衬底上转移到Cu衬底上，由于Cu良好的导热性，器件产生的热能有效的消散掉，使得器件在大电流条件下也没有退化，反而由于电退火作用改善了材料质量，使器件光输出功率稳定上升，对LED施加300mA恒定电流，开始Cu衬底上的LED光输出功率（1.9mW）比蓝宝石衬底上的（1.41mW）高出36％，60min后达到87％，（2.73mW 对1.46mW）很明显蓝宝石衬底上的LED光输出功率衰减，而Cu衬底上的LED光输出功率提高，可靠性明显改善。

3.改进电流扩展电流拥挤效应使蓝宝石衬底上的GaN基LED器件局部区域温度升高，能直接导致器件失效。

为了使电流充分扩展，人们采取了很多办法，比如在器件中外延生长InGaN电流扩展层，优化p型电极的Ni/Au厚度比或几何状态。

实际上，如果把GaN基LED制造成垂直结构，可以从根本上解决电流均匀扩散问题。

在400mA驱动电流条件下，蓝宝石衬底上横向结构的300μm×300μm LED 15h后明显退化，不到24h就完全失效，而在GaN衬底上制造的垂直结构的LED 24h后光衰减不超过1％，但目前还不具备生产用的高质量GaN衬底。

4.加强工艺控制GaN基LED的制造工艺对其可靠性的影响也是不可忽视的。

把p型欧姆接触在O2中退化与在N2中退化相比较，制作的GaN/InGaN LED电学特性得到了改善，但是在0.37kA/cm2的电流应力下，LED的寿命却从1269min下降到了15min。

所以加强GaN基LED制作过程中的工艺控制至关重要。

除了制作欧姆接触外，对GaN基LED可靠性影响比较大的工艺是干法刻蚀。