氮化物宽禁带半导体一第三代半导体技术
张国义１，李树明２
北掌大学韵曩最，卜蘑■一目毫重点宴■宣
‘２北大董光科技酣青曩公司
北囊１∞耵１
ｉ盲謦。
莳耍曰曩了量化精半导体曲主要持征和应用■量．巨督圈辱上和重内的主曩研兜理状．市场分析与攮测．由此－ｕ蚪再｝１１．氯化韵帕研究已妊成为高科技鬣壤田际竟争的■膏点之一．ｔ为第三代半■体拄术，育形成蠢科技臣夫产＿ｔ群的ｒ口艟
性．也存在着蠢积的竞争和蕞｛；‘翻舶风龄．
众所周知，以Ｇｅ，Ｓｉ为基础的半导体技术，奠定丁二十世纪电子工业的基础．其主要产品形式是以大规模集成电路为主要技术的计算机等电子产品．形成了巨大的徽电子产业
群。
其技术水平标志是大的晶片尺寸和窄的线条宽度．如１２英寸／０．１５微米技术．是成
功的标志，被称之为第一代半导体技术．以Ｇ“ｓ．ＩｎＰ．包括Ｇ吐ｌ＾ｓ，ＩｆＩＧａＡｓＰ，ＩｎＧａＡｌＰ瞢
ＩＩＩ—ｖ族砷化物和碑化韵半导体技术，奠定了二十世纪光电子产业的基础，其主要产品形
式是以光发射器件，如半导体发光二极管（Ｌ肋）和激光嚣（ＬＤ）等．为基础的光显示．
光通讯，光存储等光电子系统，形成了巨大的信息光电产业群。
其技术水平标志是使通讯
速度，信息容量，存储密度大幅度提高，被称之为第二代半导体技术．
对徽电子和光电子领域来说，二十世纪存在的问矗和二十一世纪发晨趋势是人们关心的问题．高速仍然是微电子的追求目标，高温大功率还是没有很好解决的问题；光电子的
主要发展趋势是全光谱的发光器件，特别是短波长（绿光．蓝光．咀至紫外波段）ＬＥＤ和
ＬＤ．光电集成（０ＥＩｃ）是人们长期追求的目标，由于光电材料的不兼容性，还没有很好的
实现。
事实上．这些问题是第一代和第二代半导体材料本身性质决定，不可舱解决的问
题。
它需要寻找一种高性能的宽禁带半导体材料．而这一工作二十世纪后半叶就已经开
始．在世纪之交得以确认。
那就是第三代半导体技术一ＩＩＩ一族氮化物半导体技术．
ＧａＮ、ＡｌＮ和ＩｎＮ以及由它们组成的三元合金是主要的ＩＩＩ族氰化物材料．所有氮化物晶体的稳定结构是具有六方对称性的纤锌矿结构，而在一些特定的条件下，例如在立方豸多。
衬底上外延时，ＧａＮ和ＩｎＮ能够形成立方对称性的闪锌矿结构．这两种结构只是原子层的
堆积次序不同，它们的原予最近邻位置几乎完全相同，而次近邻位置有所不同，因而它们
的性质根接近。
三元合金Ａ１ＧａＮ，ＩｎＧａＮ也是重要的氰化物材料。
它们的禁带宽度基本符
合ｖｅｇａｒｄ定理［１，２］。
№ｔｓｕｏｋａ［３］通过计算指出ＡｌＮ与ＧａＮ可咀组成组份连续变化的合
金，ＩｒＩＮ与ＧａＮ则存在较大的互熔间隙．
以氮化镓为基础的宽禁带半导体可以用来，并已经广泛用来制备高亮度蓝。
绿光平＂白光ＬＥＤ，蓝光到紫外波段的激光器（ＬＤ），繁外光传感器，等光屯子器件：高温人功率场
设麻品体管（ＦＥＴ）．双极晶体管（ＨＢＴ），高电子迁移率晶体管（ＨＥＭＴ）等徽电子器
什：这些器件构成了全色火屏幕ＬＥＤ显示和交通信号灯等应Ｈｊ的ＲＧＢ１：鞋：向光ＬＥＤ将构
・１７・
成照明光灏更新抉代的节能舶绿色照明光源工程；短波长ＬＤ将成为第三代ＤｖＤ．ｃｖＤ．
ｃＤＲ删，：事高密度光存储工程：紫外光传感器和高温大功率微电子器件将广。
泛用于霄防１ｉ
榉．
所有这些发展。
都预言着氮化物半导体巨大的．不断发展的应用前景和市场。
为了促
进我国光电子产业迅速发展，适应市场需要，迅速开发出大批量生产技术．就有可能形成
中田白己的以氮化物为基础的第三代半导体技术大产业群。
对丁：氮化物半导体市场的精确估计是很困难的，因为它的发展太快。
美田商业通讯
公司１９９８年公布的世界１９９７年氯化物蓝．绿光ＬＢＤ的产值为１亿８千９百５十万美元。
市场份额分别由日本的Ｎｉｃｈｉａ公司、Ｔｏ”ｄａＧ０ｓｅｉ公司和美嗣ＣｒｅｅＲｅｓｅａｒｃｈ公司和
Ｈ“ｌｅｔｔ—Ｐ扯ｋａｒｄ所占有．占有率分别为５９％，１４％，２１％和６％。
与１９９７年的市场需
求相比较，有接近２亿美元的缺额．２００１年氰化锿蓝光Ｌ功的市场为Ｕｓ￥９９ｌ＿翎，氮化物
短渡长ＬＤ市场将达到ＵＳ￥２咖．白光Ｌ∞将取代目１Ｉ｜的照明光源，成为二十～世纪光电子
产业量大的商机．这些数据衰明，氮化镓蓝光Ｌ皿市场是巨大的，并逐年持续发展。
对于
如此巨大的市场和商机．自然引起各田政府，科技界和企业界的高度重视和巨额投入，一
场激烈竞争的蓝色风暴在世界范围内迅速形成。
我田量阜开晨氮化物研究是原中科院长春物理所．１９８７年采用ＶＰＥ技术，在Ａ１２０：。
衬底上外延生长ＧａＮ：１９９３年，北京大学首先在囱内采用岫ＣｖＤ技术，开展氮化物的研
究：随后中科院半导体所，中科院北京物理所，原中科院长春物理所，信息产业部１３
所，南京大学．江西大学，大连理工大学，复旦大学，上海光机所等单位也相继开展氮化
物材料生长和器件应用的研究的研究．相若物理性质研究的单位就更多了。
研究方法和内
容都有了相当大的扩晨。
使我田在氯化物领域有了一定的研究，开发和生产的基础。
有些
方面还处于国际领先的地位．
目前氮化物半导体研究和开发中．存在的主要问题大体有以下几个方面：
１．衬底问题．氮化物半导体不同于其它半导体的主要问题是缺少理想的ＧａＮ单晶做
作为衬底．使得外延生长不得不采用异质外延技术，甚至不得不采用高失配的衬底，例如
Ａｌ。
吼村底上外延生长ＧａＮ．晶格失配高达１６．３％。
这使得高质量的外延生长十分凼难。
尽
管．二十１Ｈ＝纪９０年代发展起来的两步生长技术，取得了巨大大进展。
但是，与其它、卜导体
材料相比，还有相当丈的差距．尽管各种解决ｃ删单晶村底的方法都在被研究，但是目
前还看不出真止被解决的迹象．
２．Ｐ一型掺杂问琏．目翦唯一获得．Ｐ一型掺杂的是Ｍｇ一掺杂．但是由于Ｍｇ一掺杂过稃
中．被Ｈ钝化以及虹的电离能较高，经过氯气氛保护下的退火技术，最后得到的空穴浓
度只是掺杂诔度的百分之儿。
一般在１０７ｃｍ。
’量级。
这样就给欧姆接触屯极的制备，带米
相当人的困滩．以至不得不采Ｈ｛通过损失亮度的方法，而增加电流密度构透明电极的方
・１８・
＾—一一一…—１藤磊孤弱Ｆ———————————＿一
法。
这对丁ＬＥＤ还是勉强可行的，对丁：ＬＤ，则必须加以解决．
３．高组份ＩｎＧ州的制备。
由于互溶间隙的存在以及ＩｎＮ较高的平衡燕＿ｊ气压，使得耍得到所需波长的相应组份的的ＩｎＧａＮ．十分困难．因此，对蓝．绿光Ｌ即．通常采Ｈｌ掺杂的方式－通过杂质带的跃迁获得所需波段的发光．这种方法对于ＬＤ是绝对行不通的。
因此，采用应变量子井的方法，来增加．Ｉｎ的组份，改变发光波长。
这种方法常常导致组份分凝现象．形成零维量子点．当厚度超过临界层厚度时，一种微坑缺陷就会产生，严重影响器件质量．
４．Ｐ一型欧姆接触．正是由于问题２的存在，产生相关问题３。
目前采用Ｎｉ／Ａｕ蒸镀膜，经过适当的热退火，可将比接触电阻降到１０ｔ到１０一。
一ｃｍ２之间．进一步降低．Ｐ一型欧姆接触的比接触电阻，仍然是当前研究的重要课愿之一。
５．刻蚀技术．一般氮化物ＬＥＤ的刻蚀是采用反应离子刻蚀技术，得到较好的结果。
因为ＬＥＤ对刻蚀的要求并不高，主要用来暴露出Ｎ一型区，以便于制备Ｎ－电极．但是，对于ＬＤ，需要对刻蚀侧壁的光滑度和平行度有极高要求的刻蚀．ＲＩＥ常常显得有些力不从心。
现在常常用ＩＣＰ，即感应偶合等离子体刻蚀技术，可以获得更好的刻蚀结果。
以上仅仅是目前研究开发中的几个主要问置．实际上，问题还是很多的．有许多物理问题．也仍然不是十分清楚．如异质结的压电效应，自发诱导电场，晶体的极性和自扩散问题．等等，都需要深入研究．开发和利用．
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