GaN基材料

早在 1928 年, johnson 就用粉末法合成了GaN。但由於 GaN 高熔點、高離解壓的特性使 gan 的體單晶生長極為困難,長期阻礙了GaN研究工作的發展。甚至一度 gan 被認為是沒有前途的材料。但是在20 世紀90 年代初, GaN基材料的研究取得重大進展。1991 年日本日亞公司的nakamura 等人首先以藍寶石(Al2O3) 襯底研製成摻 mg 的 GaN 同質結藍色發光二極管。此後, 在各國掀起了研究 GaN基材料的熱潮。隨着研究的不斷進步,現在已經能夠製造高亮度的藍光、綠光、紫光和白光二極管。藍色和紫色激光器也已能夠製造。藍、綠光發光二極管已實現商品化,開發GaN 器件的焦點主要集中在實現白光二極管和藍色激光器的商品化上。世界各大公司和研究機構都投入巨資加入到 GaN藍色激光器和高亮度白光二極管的開發中。

GaN基材料主要包括GaN 及其與 InN、AlN 的合金,其禁帶寬度覆蓋整個可見光及紫外光譜範圍。GaN及其三元化合物通常是以六方對稱性的纖鋅礦結構存在,但在一定條件下也能以立方對稱性的閃鋅礦結構存在。2 種結構的主要差別在於原子層的堆積次序不同,因而電學性質也有顯着差別。由於閃鋅礦結構的 gan 不穩定,用於器件的一般都是纖鋅礦結構。表1 給出了2 種結構的 GaN及 inn、 aln 的帶隙寬度和晶格常數。 　對於 ingan、al gan 等三元化合物的各項參數可以用插值法估算: 　GaN 是 GaN 基半導體材料中的基本材料,也是研究最多的 Ⅲ族氮化物材料。gan 材料非常堅硬,其化學性質非常穩定,在室温下不溶於水、酸和鹼,其熔點較高,約為 1700 ℃。GaN 的電學性質是決定器件性能的主要因素。電子室温遷移率可達900 cm 2 / 。較好的 GaN材料的本底n 型載流子濃度可以降到10 16 / cm 3 左右。由於n 型本底載流子濃度較高,製備p 型 樣品的技術難題曾經一度限制了 GaN 器件的發展。akasaki 等人和 nakamura 等人分別通過低能電子束輻照( ieebi) 和熱退火處理技術,實現摻 mg 的 gan 樣品表面p - 型化。已經可以製備載流子濃度在 10 11 至 10 20 / cm 3 的 p - 型 gan 材料。

每種新器件的誕生,都依賴於薄膜生長技術的發展。隨着分子束外延(MBE) 生長技術的日漸成熟和完善,為新一代半導體器件所需的微結構材料的生長,提 供了必要條件,對推動新一代半導體技術的發展起了重要作用。尚無實用化的GaN襯底,在其它襯底上多采用異質外延生長的方法,以MBE、MOCVD異質外延生 長技術為主。選擇的異質節襯底主要材料為藍寶石、SiC、Si、GaAs、GaP等, 以 藍寶石較為常用。外延生長技術MBE、MOCVD為GaN晶體生長帶來了飛躍的進步。 利用MBE技術成功地解決了Ⅲ-Ⅴ族氮化物的薄膜生長及摻雜工藝,解決了MBE生 長GaN薄層的關鍵問題氮氣源。提供氮氣源的方法於有很多,如用電子迴旋共振 (ecr)、射頻(rf)等離子增強(pe)等方法激勵n原子的產生,其中最成功的是rf等 離子體源和電子迴旋共振(ecr)微波等離子體源。與生長温度在1000℃以上的 mocvd相比, mbe系統用於氮化物生長的一個重要優點是結晶性好、生長温度低、 產生的熱應力小, 這對熱膨脹失配較大的AlGaN合金來説十分重要。 另外MBE生長 薄膜過程是在超真空環境中, 可實現束流的原位監測以及使用高能電子衍射儀 (rheed)觀察薄膜生長質量, 並可實現單原子層生長。反應分子束外延技術, 直 接以ga 或al 的分子束作為Ⅲ族源, 以nh3為n 源, 在襯底表面反應生成Ⅲ族氮 化物。 利用該技術, 在800℃下先生長几十納米厚的aln 緩衝層, 然後再生長GaN薄膜材料,獲得了器件級n 型GaN薄膜材料,圓滿地解決了氮空位數與n型載流子 濃度相當的問題。 以nh3作氮源、 c面藍寶石為襯底的rmbe法生長的摻鎂p型GaN薄膜,其空穴濃度可高達2×1018cm , 空穴遷移率為25cm /v ·s。同樣用rmbe 法 也可製備出摻鈹的p 型GaN薄膜, 但其空穴濃度沒有摻鎂的材料高。 年代gan 90 薄膜材料生長技術取得質的飛躍, 成功地解決了器件質量薄膜材料的生長,實現 了p 型摻雜, 獲得了符合器件要求的p 型GaN 薄膜, 解決了GaN基固溶體 InGaN、AlGaN 的生長工藝, 為藍、綠色led 和藍光ld以及各種fet 和光探測器 的製備奠定了材料基礎, 從而為新器件的開發和研究打開了光明之門。

gan基材料具有禁帶寬度大、熱導率高、電子飽和漂移速度大和介電常數小等特 點,gan 基材料可以用於製造藍、綠、紫和白光二極管,藍色和紫色激光器,以及高頻、大功率電子器件和紫外光探測器等等。二極管的製造技術已經比較成熟並且已經初步商品化。激光器的進展也非常迅速,正在走向商品化。其他器件如 gan 基的 fet、hemt、hbt 和uv 光傳感器也已開發出來。

1 　發光二極管 　1991 年, 日本 nichia 公司成功製造了同質結 gan 藍色發光二極管,光輸出功率達70μw,此後世界各大公司和研究機構對GaN的研究不斷取得突破進展,隨着雙異質結和量子阱結構的廣泛採用, GaN基發光二極管的發光亮度和光輸出功率都已達到很高水平。nichia 公司的高亮藍光二極管已經達到3cd 的亮度,綠光達到10cd ,光輸出功率分別達 6. 0mw 和4. 0mw。紫光二極管 cree 公司已經報道了12. 0mw 的光輸出功率。白光二極管的製造技術也逐漸成熟,亮度達 5. 0 至 6. 0cd。隨着發光亮度的迅速提高和產品的商品化, GaN基發光二極管正一步步走入人們的生活,並將給人們的生活帶來巨大的變化。例如, 用 ingan 藍光和綠光二極管和 al gainp 紅光二極管做成全色動態信息顯示平板, 可廣泛用於車站、廣場、體育館等場所,使信息的顯示更逼真,將給人們帶來更大的方便和全新的感受。還可以應用於電視機和計算機的顯示器,這樣的電視機和計算機顯示器將以其平面化、響應快、清晰度高、無輻射、低功耗等優勢同現有的陰極射線管顯示器展開競爭。可以預言,一旦成本和價格能夠降到可承受範圍,這種競爭將是一邊倒的。 　2 　藍、紫色激光器 　InGaN量子阱藍、紫色激光器的實現, 為高密度存儲、水下通信開闢了道路。激光器的波長決定了光盤的存儲容量、存儲密度與波長的平方成反比。現有的cd 和dvd 使用的激光波長分別為 780nm 和635nm ,如果改用波長為450 的藍光,cd 和dvd 的存儲密度將分別從現在的0. 65 g和4. 7 g提高到 14 g左右。同時信息的尋道時間將從 100 至 50 毫秒縮短到20 至40 毫秒。由於水對光的吸收,以前在海水中要實現光通信比較困難。但由於海水對波長在470 到540 之間的藍、綠光吸收特別少(只有其他波長光的1 %) ,所以,如果將藍、綠光用於水下通信,這個難題將得以解決。由於藍、綠、紫色激光器的應用前景和市場潛力非常巨大,現在正吸引着世界上眾多的大公司和研究組在這個領域攻關。GaN 材料除了在發光器件領域,在其他領域如高温大功率電子器件、高頻器件、光探測器等方面也有着巨大的應用前景, khan 等人已經用 gan 材料製作出了 gan/ al gan 異質結場效應晶體管( fet) , gan/ al gan 異質結 hemt , hfet 和 mofet 也已研製成功。apa 公司的 gan 基 uv 光探測器已經實現商品化,並藉助於他們在 gan 基 fet 器件領域的領先技術,正在開發探測器/ fet 混合器件。 　國內對GaN材料的研究開展得較晚,跟國際上的最高水平相比有着較大的差距,但近年來也取得了顯着的進展,藍光二極管已有實驗室樣品,並且正在走向產業化。綠光、紫光二極管也已製出樣管。本實驗室的製造的波長 382nm 的紫外二極管室温下光輸出功率為0. 56mw。白光二極管的研究也已取得了初步進展,隨着藍光特別是紫外二極管和熒光粉製造技術的不斷進步,白光二極管的製造技術也將一步一步走向成熟。