异质结原理与器件小论文（小组）题目：GaN——第三代半导体的新势力队长：刘敏物理1001成员：马丹丹光信1001李秋虹光信1002目录选题背景 (3)一、GaN材料的发展概述 (4)二、GaN材料的特性 (4)2.1化学特性 (6)2.2结构特性 (6)2.3电学特性 (7)2.4光学特性 (7)三、GaN材料的应用 (8)3.1新型电子器件 (8)3.2光电器件 (8)四、GaN的优缺点 (10)4.1GaN材料的缺点 (10)4.2GaN材料的优点 (11)五、总结 (12)六、参考文献 (13)七、异质结小组分工及时间安排 (13)GaN——第三代半导体的新势力选题背景：自20世纪60年代，发光二极管(Light Emitting Diode，LED)的发展非常迅速，它具有体积小、耐冲击、寿命长、可靠度高与低电压低电流操作等优良的特性，适用于在各种环境的使用，而且符合未来环保节能的社会发展趋势。

初期的以砷化镓(GaAs)、铝铟磷镓(AIGalnP)材料为基础之发光二极管，实现了红光至黄绿光波段的电激发光。

GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点，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。

它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好（几乎不被任何酸腐蚀）等性质和强的抗辐照能力，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。

关键词：氮化镓半导体材料特性应用一、GaN材料的发展概述GaN是由Johnson等人于1928年合成的一种Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，由于晶体获得的困难，所以对它的研究未得到很好的进展。

在60年代，用Ⅲ-Ⅴ族化合物材料GaAs制成激光器之后，才又对GaN 的研究产生兴趣。

1969年，Maruska和Tietjen成功制备出了单晶GaN晶体薄膜，给这种材料带来了新的希望。

但在此后很长时期内，GaN材料由于受到没有合适的衬底材料、n型本底浓度太高和无法实现p型掺杂等问题的困扰，进展十分缓慢。

进入90年代以来，由于缓冲层技术的采用和p型掺杂技术的突破，对GaN的研究热潮在全世界蓬勃发展起来，并且取得了辉煌的成绩。

二、GaN材料的特性Ⅲ族氮化物，主要包括GaN、AN、InN（Eg<2.3V）、GaInN和AlGaInN 等，其禁带宽度覆盖了红、黄、绿、蓝、紫和紫外光谱范围。

Ⅲ族氮化物有三种晶体结构，即纤锌矿、闪锌矿和岩盐结构，三种结构的主要差别在于原子层的堆积次序不同，因而电学性质也有显著差别。

GaN是Ⅲ族氮化物中的基本材料，也是目前研究最多的Ⅲ族氮化物材料。

GaN材料硬度高，化学性质非常稳定。

GaN的电学性质是决定器件性能的主要因素，电子室温迁移率目前可以达到900㎝2/（V •s）。

在蓝宝石衬底上生长的未参杂的GaN样品存在较高（>1018/cm3）的n型本底载流子浓度，现较好的GaN样品的n型本底载流子浓度可以降到1016/cm3左右。

由于n型本底载流子浓度较高，制备p型GaN 样品的技术难题曾一度限制了GaN器件的发展。

随着技术的发展，目前已经可以制备载流子浓度在1011~1020/ cm3的p型GaN材料。

在GaN材料体系中，GaInN的使用最为广泛，这是因为GaInN为直接带隙材料，通过改变In组分，可以调整发光波长，发光范围基本可以覆盖整个可见光光谱，另外GaInN的电子迁移率较高，适合制作高频电子器件，但在In组分较大时，GaInN同GaN或AN的晶格失配较大，材料生长较为困难。

接下来我们将详细阐述GaN材料的基本特性。

2.1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。

GaN具有高的电离度，在Ⅲ-Ⅴ族化合物中是最高的（0.43或0.5）。

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。

2.2结构特性下表列出了GaN纤锌矿和闪锌矿结构的重要物理参数。

在很高压强下，GaN、AN、InN能生成岩盐结构。

纤锌矿结构是六方柱体原胞，因此有2个晶格常数a和c。

纤锌矿结构由各自包含一种原子的两个密排六方晶格，沿c轴方向相对位移3c/8套构而成。

闪锌矿结构由包含4个Ⅲ族原子和4个Ⅴ族原子的立方原胞构成，它是由两个面心立方晶体，沿对角线方向相对位移3a/4套构而成的。

闪锌矿结构和纤锌矿结构从电子结构上看是相关的，两种结构的主要差别在于密排原子表面的堆积顺序不同，闪锌矿结构晶格原子的堆叠是…ABCABCABC…,而纤锌矿的堆叠顺序是…ABABAB…。

2.3电学特性GaN的电学特性是影响器件的主要因素。

未掺杂的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。

GaN最高迁移率数据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。

近年报道的MOCVD沉积GaN层的电子浓度数值为4 ×1016/cm3、<1016/cm3；等离子激活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。

2．4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。

三、GaN材料的应用3.1新型电子器件GaN材料系列具有低的热产生率和高的击穿电场，是研制高温大功率电子器件和高频微波器件的重要材料。

目前，随着 MBE技术在GaN材料应用中的进展和关键薄膜生长技术的突破，成功地生长出了GaN多种异质结构。

用GaN材料制备出了金属场效应晶体管（MESFET）、异质结场效应晶体管(HFET)、调制掺杂场效应晶体管（MODFET）等新型器件。

调制掺杂的AlGaN/GaN结构具有高的电子迁移率(2000cm2/v •s)、高的饱和速度(1×107cm/s)、较低的介电常数，是制作微波器件的优先材料；GaN较宽的禁带宽度(3.4eV) 及蓝宝石等材料作衬底，散热性能好，有利于器件在大功率条件下工作。

3.2光电器件GaN材料系列是一种理想的短波长发光器件材料，在前面提及的GaN材料的特性描述中我们知道GaN及其合金的带隙覆盖了从红色到紫外的光谱范围。

自从1991年日本研制出同质结GaN蓝色 LED之后，InGaN/AlGaN双异质结超亮度蓝色LED、InGaN单量子阱GaNLED相继问世。

目前，Zcd和6cd单量子阱GaN蓝色和绿色 LED已进入大批量生产阶段，从而填补了市场上蓝色LED多年的空白。

蓝色发光器件在高密度光盘的信息存取、全光显示、激光打印机等领域有着巨大的应用市场。

随着对Ⅲ族氮化物材料和器件研究与开发工作的不断深入，GaInN超高度蓝光、绿光LED技术已经实现商品化，现在世界各大公司和研究机构都纷纷投入巨资加入到开发蓝光LED的竞争行列。

1993年，Nichia公司首先研制成发光亮度超过lcd的高亮度GaInN/AlGaN异质结蓝光LED，使用掺Zn的GaInN作为有源层，外量子效率达到2.7%,峰值波长450nm,并实现产品的商品化。

1995年，该公司又推出了光输出功率为2.0mW，亮度为6cd商品化GaN绿光 LED 产品，其峰值波长为525nm，半峰宽为40nm。

最近，该公司利用其蓝光LED和磷光技术，又推出了白光固体发光器件产品，其色温为6500K，效率达7.5流明/W。

除Nichia公司以外，HP、Cree等公司相继推出了各自的高亮度蓝光LED产品。

高亮度LED的市场已从1998年的 3.86亿美元跃升为2003年的10亿美元。

高亮度LED的应用主要包括汽车照明，交通信号和室外路标，平板金色显示，高密度DVD 存储，蓝绿光对潜通信等。

在成功开发Ⅲ族氮化物蓝光LED之后，研究的重点开始转向Ⅲ族氮化物蓝光LED器件的开发。

蓝光LED在光控测和信息的高密度光存储等领域具有广阔的应用前景。

目前Nichia公司在GaN蓝光LED领域居世界领先地位，其GaN蓝光LED室温下2mW连续工作的寿命突破10000小时。

HP公司以蓝宝石为衬底，研制成功光脊波导折射率导引GaInN/AlGaN多量子阱蓝光LED.cree公式和Fujitsu公司采用SiC 作为衬底材料，开发Ⅲ族氮化物蓝光LED，CreeResearch公司首家报道了SiC上制作的CWRT蓝光激光器。

富士通继Nichia，CreeResearch和索尼等公司之后，宣布研制成了InGaN蓝光激光器，该激光器可在室温下CW应用，其结构是在SiC衬底上生长的，并且采用了垂直传导结构（P型和n型接触分别制作在晶片的顶面和背面），这是首次报道的垂直器件结构的CW蓝光激光器。

在探测器方面，已研制出GaN紫外探测器，波长为369nm，其响应速度与Si探测器不相上下。

但这方面的研究还处于起步阶段。

GaN 探测器将在火焰探测、导弹预警等方面有重要应用。

四、GaN的优缺点因为GaN是宽禁带半导体，极性太大，则较难以通过高掺杂来获得较好的金属-半导体的欧姆接触，这是GaN器件制造中的一个难题，故GaN器件性能的好坏往往与欧姆接触的制作结果有关。

现在比较好的一种解决办法就是采用异质结，首先让禁带宽度逐渐过渡到较小一些，然后再采用高掺杂来实现欧姆接触，但这种工艺较复杂。

总之，欧姆接触是GaN器件制造中需要很好解决的一个主要问题。

4.1GaN材料的缺点一方面，在理论上由于其能带结构的关系，其中载流子的有效质量较大，输运性质较差，则低电场迁移率低，高频性能差。