氮化鎵半導(dǎo)體材料

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1、氮化鎵半導(dǎo)體研究一．物理背景自20世紀(jì)60年代，發(fā)光二極管(LightEmittingDiode，LED)的發(fā)展非常迅速，它具有體積小、耐沖擊、壽命長、可靠度高與低電壓低電流操作等優(yōu)良的特性，適用于在各種環(huán)境的使用，而且符合未來環(huán)保節(jié)能的社會發(fā)展趨勢。初期的以砷化鎵(GaAs)、鋁銦磷鎵(AIGalnP)材料為基礎(chǔ)之發(fā)光二極管，實(shí)現(xiàn)了紅光至黃綠光波段的電激發(fā)光。近年來，以氮化鎵(GaN)為代表的新一代半導(dǎo)體材料技術(shù)上氮化鎵半導(dǎo)體材料具有禁帶寬度大、擊穿電場高、電子飽和漂移速度高、介電常數(shù)小、抗輻射能力強(qiáng)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等獨(dú)

2、特的特性，在光顯示、光存儲、光探測等光電子器件和高溫、高頻大功率電子等微電子器件領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，其中最引人矚目的是作為發(fā)光材料的應(yīng)用，由于氮化鎵能與氮化銦(INN)和氮化鋁(AIN)形成三元或四元化合物，如此借著改變IlI族元素的比例，便能使發(fā)光波長涵蓋紅外光到紫外光的范圍，另外將發(fā)藍(lán)光的氮化鎵基發(fā)光二極管配以可激發(fā)出黃綠光的熒光粉，從而混合發(fā)出白光，應(yīng)用前景非常廣泛，除了應(yīng)用于指示燈、燈飾、手電筒等普通市場，氮化鎵基發(fā)光二極管還應(yīng)用于手機(jī)及手提電腦背光源、交通燈、戶外全彩顯示屏等市場，但氮化鎵基發(fā)光二極管最有前景的應(yīng)

3、用還是在普通照明市場。二．GaN的應(yīng)用高效節(jié)能、長壽命的半導(dǎo)體照明產(chǎn)品正在引領(lǐng)照明業(yè)的綠色變革。隨著第三代半導(dǎo)體材料氮化鎵的突破和藍(lán)、綠發(fā)光二極管的問世，世界各國紛紛投入巨資推出國家級半導(dǎo)體照明計(jì)劃。GaN屬寬禁帶半導(dǎo)體，直接帶隙3．4eV，在長壽命、低能耗、短長半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)、紫外探測器以及高溫微電子器件等方面有廣闊的應(yīng)用前景,GaN器件的廣泛應(yīng)用將預(yù)示著光電信息乃至光子信息時代的來臨，因此，以GaN為代表的第三代半導(dǎo)體材料被譽(yù)為信息產(chǎn)業(yè)新的發(fā)動機(jī)。GaN基半導(dǎo)體材料，包括GaN、A1N和I

4、nN，都是直隙半導(dǎo)體材料，因而有很高的量子效率。用GaN、A1N和InN這三種材料按不同組份生成的固溶體，其禁帶寬度可在O．7eV到6．2eV之間變化。這樣，用這些固溶體制造發(fā)光器件，是光電集成材料和器件發(fā)展的方向，其主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：(1)當(dāng)前在國內(nèi)外非常受人矚目的半導(dǎo)體照明是一種新型的高效、節(jié)能和環(huán)保光源，將取代目前使用的大部分傳統(tǒng)光源，被稱為21世紀(jì)照明光源的革命，而GaN基高效率、高亮度發(fā)光二極管(LED)的研制是實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體照明的核心技術(shù)和基礎(chǔ)。以LED為代表的半導(dǎo)體光源，具有節(jié)能、長壽命、免維護(hù)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，目前己

5、被廣泛的應(yīng)用于大屏幕平板顯示和交通信號燈以及顯示指示燈，并逐漸向通用照明領(lǐng)域發(fā)展，目前實(shí)驗(yàn)室水平的白光LED發(fā)光強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到131lm／w。（2）CD、DVD的光存儲密度與作為讀寫器件的半導(dǎo)體激光器的波長的平方成反比，目前流行的CD、DVD的激光讀寫頭分別采用波長為780nm、650nm的AIGaAs／AIGalnP材料，存儲容量分別為700MB，4．7GB。若用波長為410rim的InGaN／GaN藍(lán)光激光器代替，光盤的存儲容量將高達(dá)27GB，將會成為光存儲和處理的主流技術(shù)。（3）適合制作紫外探測器件。當(dāng)在強(qiáng)可見光和紅外輻

6、射背景中探測紫外信號時，要盡量避免或減少紫外信號以外的背景信號干擾。以GaN做成的紫外探測器，克服了Si探測器在紫外波段探測效率低、需要復(fù)雜的濾光系統(tǒng)等弱點(diǎn)。而氮化物特別是AIGaN，可以制成日光盲紫外探測器，其截止波長為200．356nm。在這個范圍的探測器可以用于火焰探測、燃燒診斷、光譜學(xué)和紫外監(jiān)視，AIGaN探測器還有重要的軍事用途，可用于導(dǎo)彈制導(dǎo)和導(dǎo)彈預(yù)警防御系統(tǒng)。(4)由于GaN基材料有禁帶寬度大、擊穿電壓高、電子飽和速率高、熱穩(wěn)定性好、抗腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于制作高電子遷移率晶體管、雙極晶體管、場效應(yīng)晶體管等

7、微電子器件，適合在高溫、大功率及惡劣環(huán)境下工作?11。高溫、高頻、高功率微波器件是無線通信、國防等領(lǐng)域急需的電子器件，如果目前使用的微波功率管的輸出功率密度提高一個數(shù)量級，微波器件的工作溫度提高到300℃，將解決航天航空用電子裝備和民用移動通信系統(tǒng)的一系列難題。三.GaN的制備方法3.1由于GaN體單晶非常難以獲得，即便是已有一些研究報(bào)道對GaN體單晶生長取得了一定進(jìn)展，但它們的質(zhì)量還無法達(dá)到作襯底的要求。因此現(xiàn)今對GaN的研究都集中在以異質(zhì)材料(如A1203、SiC、Si等)為襯底的外延生長薄膜上。隨著異質(zhì)外延技術(shù)的進(jìn)步，

8、現(xiàn)在已經(jīng)可以在特定的襯底材料上外延生長獲得質(zhì)量優(yōu)良的GaN外延層，這也使得GaN材料體系的應(yīng)用得到了迅速發(fā)展，異質(zhì)外延技術(shù)成為了制備GaN薄膜的主要方法。3.1生長工藝GaN的外延生長一般有以下幾種工藝：金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MetalOrganicChemicalVaporDeposit