GaN基基半導(dǎo)體材料光學(xué)特性研究論文

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1、1緒論20批紀(jì)90年代以來(lái)，由于異質(zhì)外延緩沖層技術(shù)的采用和GaN的P型摻雜技術(shù)的突破，從而開(kāi)辟了GaN通向?qū)嶋H應(yīng)用的光輝大道，引發(fā)了全世界GaN研究的熱潮，并已取得了輝煌的成績(jī)。GaN超高亮度藍(lán)、綠光LED已實(shí)現(xiàn)商品化。目前研發(fā)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)主要集中在藍(lán)光LD方面，以及大功率高溫半導(dǎo)體器件和微波器件用的材料研制和器件制備技術(shù)方面。以GaN為代表的第三代半導(dǎo)體材料被譽(yù)為IT產(chǎn)業(yè)新的發(fā)動(dòng)機(jī)。GaN材料具有許多硅基材料所不具備的優(yōu)異性能，包括能夠滿足大功率、高溫、高頻和高速半導(dǎo)體器件的工作要求。它最重要的物理特點(diǎn)是具有比第一、二代半導(dǎo)

2、體材料更寬的禁帶，可以發(fā)射波長(zhǎng)更短的藍(lán)光和紫光，因此，GaN器件可以廣泛地應(yīng)用于光顯示、光存儲(chǔ)、激光打印、光照明以及I矢療和軍事等領(lǐng)域。因此，近兒年世界各國(guó)政府有關(guān)機(jī)構(gòu)、相關(guān)企業(yè)以及風(fēng)險(xiǎn)投資公司都紛紛加大了對(duì)GaN基半導(dǎo)體材料及器件的研發(fā)投入。1.1氮化鐐材料的發(fā)展歷程自從1928年GaN首次合成，到1969年成功制備出了GaN單晶晶體薄膜，都一度給這種材料帶來(lái)了新的希望。很長(zhǎng)的一段時(shí)間以來(lái)，人們一直在尋求和研究GaN體單晶材料和其外延薄膜晶體的生長(zhǎng)方法。由于氮化鐐體單晶生長(zhǎng)極其困難，口單晶直徑太小，不能達(dá)到實(shí)用化的目的，而

3、其薄膜晶體又因缺陷密度和本體施主濃度過(guò)高等原因，使III族氮化物半導(dǎo)體材料和器件的進(jìn)展緩慢，一直落后于SiC和ZnSe帶隙半導(dǎo)體材料和器件的發(fā)展。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，隨著異質(zhì)外延技術(shù)的不斷進(jìn)步，采用緩沖層技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)可以在一些特定的襯底材料上外延生長(zhǎng)得到質(zhì)量較好的GaN外延層。另外，制備P型GaN的技術(shù)難題,也通過(guò)對(duì)攙入P型雜質(zhì)的GaN進(jìn)行低能電子束輻射或進(jìn)行熱處理得以解決。目前，對(duì)GaN及其相關(guān)III族氮化物半導(dǎo)體研究的焦點(diǎn)已集中在藍(lán)光LD及大功率高溫半導(dǎo)體器件和微波用材料的研制和器件的制備方面。1.2氮化鐐材料的

4、優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用GaN材料具有許多硅基材料所不具備的優(yōu)異性能，包括能夠滿足大功率、高溫、高頻和高速半導(dǎo)體器件的工作要求。由于具有優(yōu)越性的特性，GaN材料以及基于GaN材料的各種器件在近十年中得到了系統(tǒng)和深入的研究。GaN材料主要應(yīng)用于光學(xué)器件如發(fā)光二極管(LED)、半導(dǎo)體激光器(LD)、光探測(cè)器(PD)；電子器件如高電子遷移率晶體管(HEMT)、肖特基勢(shì)壘場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET)oAlGaN/GaN高電子遷移率晶體管(HEMTs)在高頻高溫大功率領(lǐng)域具有十分引人矚目應(yīng)用前景oAlGaN/GaN是國(guó)際上廣泛關(guān)注的新型寬禁帶化合物

5、半導(dǎo)體材料,具有較寬的禁帶寬度(GaN3.4eV,AlN6.2eV),較高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)(1?3xlO”V/cm),高電子飽和漂移速率(2.2xlOlocm/s),R好熱穩(wěn)定性。與此同時(shí),AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)具有較大的導(dǎo)帶不連續(xù)性,注入效率較高，界面處又有強(qiáng)烈的自發(fā)極化與壓電極化效應(yīng),2DEG可達(dá)到很高的電子密度(不摻雜可達(dá)1013cm-2)R此，憑借優(yōu)良的材料特性及制作工藝的提高,GaN基器件可達(dá)到比GaAs器件大5?10倍的微波功率密度。口前國(guó)際上報(bào)道GaN單指HEMTs器件10GHz下連續(xù)波功率密度可達(dá)10.7W/m2

6、,PAE約40%。在20GHz下,0.3

7、im器件CW測(cè)試功率密度可達(dá)至Ij3W/m2,PAE約為22.5%oSiC襯底GaN單指器件許大于160GHz,藍(lán)寶石襯底殲大于HOGHzo我國(guó)的GaN器件研究工作開(kāi)展得較少。氮化鐐是繼第一代硅、錯(cuò)(Ge)和第二代不巾化鐐(GaAs)、磷化錮(InP)等材料以后的第三代新型半導(dǎo)體材料，具有大禁帶寬度、高臨界場(chǎng)強(qiáng)、高熱導(dǎo)率、高載流子飽和速率、異質(zhì)結(jié)界面二維電子氣濃度高等特性，其品質(zhì)因素遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了硅和幣巾化鐐，因而成為制造高功率、高頻電子器件、短波長(zhǎng)光電子器件、高溫器件和抗輻照器件最重要

8、的半導(dǎo)體材料。其屮，GaN由于其材料特性相對(duì)其它競(jìng)爭(zhēng)者更具優(yōu)勢(shì)，各種材料特性對(duì)比如表1.1所示表1.1幾種半導(dǎo)體材料特性參數(shù)材料遷移率(cm2/V-s)介電常數(shù)(eV)禁帶寬度(W/cm-K)熱導(dǎo)率Baliga優(yōu)值Johon優(yōu)值Si130011.4LI1.51.01.0GaAs500013.11.40.469.63.5SiC2609.72.93.53」60GaN15009.53.41.724.680此外GaN基器件具備很多優(yōu)點(diǎn)，可總結(jié)為表1.2。第一列是對(duì)任何功率器件技術(shù)的性能要求，第二列是可以滿足前面要求的GaN基器件特性

9、，第三列是采用GaN器件可以達(dá)到的系統(tǒng)級(jí)性能優(yōu)勢(shì)。表1.2GaN基器件的優(yōu)點(diǎn)與系統(tǒng)需求技術(shù)要求GaN基器件可用特性系統(tǒng)級(jí)性能優(yōu)勢(shì)高功率/單位柵寬禁帶寬，能承受高電場(chǎng)強(qiáng)度面積小，易匹配高工作電壓擊穿電場(chǎng)咼消除/減小電壓轉(zhuǎn)換高線性HEMT結(jié)構(gòu)頻帶分布優(yōu)化高頻率2DEG遷移率高頻帶寬，微波/毫米