GaN半导体材料综述 课程名称: 纳米功能材料与器件 学生姓名: XX 学 院: 新材料技术研究院 学 号: XXXX 班 级: XXXX 任课老师: 顾有松 评 分:
2015-12 目录 1 前言 ............................................................................................................................... 1 2 GaN材料的性能研究 .................................................................................................. 1 2.1 物理性质 ......................................................................................................... 1 2.2 化学性质 ......................................................................................................... 2 2.3 电学性质 ......................................................................................................... 2 2.4 光学性质 ......................................................................................................... 2 3 GaN材料的制备 .......................................................................................................... 3 3.1 金属有机化学气相外延技术(MOCVD) ....................................................... 3 3.2 分子束外延(MBE) .......................................................................................... 3 3.3 氢化物气相外延(HVPE) ................................................................................ 4 4 GaN材料的器件构建与性能 ...................................................................................... 5 4.1 GaN基发光二极管(LED) .............................................................................. 5 4.2 GaN基激光二极管(LD) ................................................................................ 6 4.3 GaN基电子器件 ............................................................................................ 7 4.4 GaN基紫外光探测器 .................................................................................... 7 5 结论 ............................................................................................................................... 7 参考文献 .............................................................................................................................. 8 1 前言 继硅（Si）引导的第一代半导体和砷化镓（GaAs）引导的第二代半导体后，以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）为代表的第三代半导体材料闪亮登场并已逐步发展壮大。 作为第三代半导体的典型代表，GaN材料是一种直接带隙以及宽带隙半导体材料。室温下其禁带宽度为3.4eV，具有高临界击穿电场、高电子漂移速度、高热导、耐高温、抗腐蚀、抗辐射等优良特性，是制作短波长发光器件、光电探测器以及高温、高频、大功率电子器件的理想材料。随着纳米技术的发展，III族氮化物一维纳米结构在发光二极管、场效应晶体管以及太阳能电池领域都具有极大的潜在应用。进入20世纪90年代以后，由于一些关键技术获得突破以及材料生长和器件工艺水平的不断提高,使GaN材料研究空前活跃，GaN基器件发展十分迅速。基于具有优异性质的纳米尺寸材料制造纳米器件是很有意义的，GaN纳米结构特别是纳米线是满足这种要求的一种很有希望的材料[1]。 本论文主要介绍了GaN材料的性能研究、制备方法研究、器件构建与性能三个方面的内容，并最后进行了总结性阐述，全面概括了GaN材料的基本内容。
2 GaN材料的性能研究 2.1 物理性质 GaN是一种宽带隙半导体材料，在室温下其禁带宽度约为3.4 eV；Ga和N原子之间很强的化学键，使其具有高达1700℃的熔点；电子漂移饱和速度高，且掺杂浓度对其影响不大；抗辐射、介电常数小、热产生率低和击穿电场高等特点。通常情况下GaN的晶体结构主要为六方纤锌矿结构和立方闪锌矿结构，前者为稳态结构，后者为亚稳态结构，在极端高压情况下也会表现为立方熔盐矿结构[2]。目前各种器件中使用到的都是六方GaN，其晶体结构如图2-1所示。 图2-1 GaN方纤锌矿结构(a)黑色为Ga原子，灰色为N原子；(b)Ga和N原子的成键形式 2.2 化学性质 GaN的化学性质非常稳定，在室温下它既不与水发生反应，也不和酸或碱发生化学反应，但能缓慢地溶解在热的碱性溶液中。由于GaN的稳定性，对其表面进行刻蚀是非常困难的。目前，在工业生产中主要采用等离子体刻蚀的方法对GaN的表面进行处理[2]。
2.3 电学性质 电学性能是影响光电器件性能的主要因素。非故意掺杂的GaN一般为n型，其载流子浓度约为1014 cm3～1016 cm3。如此高的本征载流子浓度曾一度限制了GaN的P型掺杂，给GaN器件的应用带来了困难。到1989年H．Amano等人用电子束照射的方式获得了Mg掺杂的P型GaN，才使得GaN器件的应用有了很大的发展。另外，GaN材料具有较高的电子迁移率，适度掺杂的AlGaN/GaN结构电子迁移率更高，而且还具有高的电子漂移速度和较低的介电常数，是制作高频微波器件的重要材料。
2.4 光学性质 GaN为直接宽带隙半导体材料，在室温下其发光波长为365 nm，位于蓝光波段。InN的禁带宽度为0.77 eV，GaN的禁带宽度为3.43 eV，AlN的禁带宽度为6.2 eV，通过在GaN中掺入不同组分的In和Al，GaN基材料的禁带宽度可以实现从0.77eV到6.2 eV的连续变化，其发光波长实现200 nm～656nm的连续变化，覆盖了整个可见光区和近紫外光区，所以，非常适合制作各种发光器件，有可能成为太阳能光伏产业的重要材料。 3 GaN材料的制备 要研发与制备高质量、高性能的InGaN/GaN器件，首先就要制备出高质量的GaN材料。GaN在高温下分解为Ga和N2，常压下无法融化，只有在2200℃以上，6GPa以上的N2压力下才能使GaN融化，所以传统直拉法和布里奇曼法都不能用来生长GaN单晶[3]。至今，GaN材料的获得仍然以异质外延技术生长为主，即通过在其它晶体衬底上实现。近年来，又有出现了一些较为简单的方法，包括磁控溅射、溶胶一凝胶、脉冲激光沉积和电泳沉积等。在GaN材料的外延生长方面，应用最广泛的外延生长技术主要有：金属有机化学气相外延技术(MOCVD)、分子束外延(MBE)、氢化物气相外延(HVPE)[4]。下面对这三种生长技术作简要概述。
3.1 金属有机化学气相外延技术(MOCVD) 金属有机化学气相外延又称为金属有机气相外延(MOVPE)，是一种利用有机金属热分解反应进行气相外延生长薄膜的化学气相沉积技术，是在薄膜生长的众多技术中最经常运用的技术之一，是目前生长Ⅲ族氮化物多层结构最主流的方法，也是目前唯一能制备出高亮度氮化物发光二极管并用于规模化商业生产的生长技术。 该方法以三甲基镓(TMGa)为有机镓源，氨气为氮源并以H2和N2或者这种两
种气体的混合气体为载体，将反应物载入反应腔并在一定温度下发生反应，生成相应薄膜材料的分子团，在衬底表面上吸附、成核、生长，最后形成所需的外延层。此外，该沉积系统不需要超高真空，反应室可以扩展且设备维护简单，己被广泛应用于大面积、多片GaN外延片的工业生产中。 MOCVD法外延GaN的技术已经被广泛应用并部分实现产业化，但是仍存在一些制约因。首先，MOCVD设备本身价格非常昂贵，生产所使用的原料价格也非常昂贵且毒性大；其次，同HVPE一样需要较高温度使氨气发生解离，这就容易引起薄膜出现氮空位、碳污染以及内应力，从而影响薄膜的质量[5]。
3.2 分子束外延(MBE) 分子束外延(MBE)是一种实验室常用的生长III族氮化物的传统方法，但其发展