GaN材料简介.doc

gan材料简介1 gan材料的发展12 gan材料的基本性质2 gan材料的结构2 gan材料的电学性质3 gan材料的光学性质33 gan材料的生长44 gan材料研究目的及意义41 gan材料的发展在半导体产业的发展中，一般将si、ge称为第l代电子材料；而将gaas、inp、gap、inas、aias及其合金等称为第2代电子材料；宽禁带(eg2.3ev)半导体材料近年来发展十分迅速，成为第3代电子材料，主要包括sic、znse、金刚石和gan等1。gan材料是直接宽带隙半导体材料，因其带隙宽度(eg=3.4ev)、发光效率高、电子漂移饱和速度高、热导率高、硬度大、介电常数小、化学性质稳定以及抗辐射、耐高温等特点，在高亮度蓝光发光二极管、蓝光激光器和紫外探测器等光电子器件以及抗辐射、高频、高温、高压等电子器件领域有着巨大的应用潜力和广阔的市场前景，引起人们的极大兴趣和广泛关注。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薄膜研究空前活跃，gan基器件发展十分迅速，gan已成为宽带隙半导体材料中一颗璀璨的明珠，被认为是最有前途的半导体激光器材料。gan半导体材料的商业应用研究开始于1970年，其在高频和高温条件下能够激发蓝光的独特性质从一开始就吸引了半导体开发人员的极大兴趣。但是gan的生长技术和器件制造工艺直到近几年才取得了商业应用的实质性进步和突破，1992年被誉为gan产业应用鼻祖的nakamura教授制造了第一支gan发光二极管，于1993年11月展示了发光强度为1坎德拉的gan蓝光二极管，并于同月宣布具有一个激活区域的ingan/algaas双异质结构蓝光二极管开始商业化，这标志着iii-n族化合物的发展实现了革命性的转变。1999年日本nichia公司制造了第一支gan蓝光激光二极管，该激光器的稳定性能相当于商用红光激光器。从1999年初到现在，gan基半导体材料在薄膜和单晶生长技术、光电器件方面都有了重大技术突破。由于gan半导体器件在光显示、光存储、激光打印、光照明以及医疗和军事等领域有着广阔的应用前景，gan器件的广泛应用将预示着光电信息乃至光子信息时代的来临2。2 gan材料的基本性质 gan材料的结构gan独特的性质使得这种材料具有广泛的应用价值，而材料的特性又是由成键状态和几何结构决定的。iii氮族化合物主要有三种晶体结构：纤锌矿结构（六方相，相）和闪锌矿结构（立方相，相）和岩盐结构（nacl型复式正方结构），如图1所示。图1 纤锌矿、闪锌矿及岩盐结构晶体结构示意图一般来说，在单晶gan薄膜中通常只观察到两种结构，即纤锌矿结构和闪锌矿结构，在极端高压下才能出现岩盐矿结构。纤锌矿结构gan的晶格常数为：a=0.3189nm，c=0.5185nm；闪锌矿结构gan的晶格常数为：a=0.4380.498nm。gan体材料的密度是6.1g/cm3，是稳定、坚硬的高熔点材料,熔点温度约为1700，具有-v族化合物中最高的电离度(0.5或0.43)。图2 纤锌矿型和闪锌矿型晶体结构的堆垛方式gan基二元材料六方相是热力学稳态结构，立方相只是压稳态结构，如图2所示，纤锌矿结构是由两套六方密堆积结构沿c轴方向平移5c/8套构而成，闪锌矿结构则由两套面心立方堆积结构沿对角线方向平移1/4对角线长度套构而成。这两种结构基本类似，每个iii(v)族原子都与最近临的4个v(iii)族原子成键，区别在于堆垛顺序。六方相结构沿c轴方向的堆垛顺序为ababab，而立方相结构沿方向的堆垛顺序为abcabc。两者最近邻原子相同，只是次近邻原子不同。 gan材料的电学性质常用半导体材料的电学参数 表1gan材料的电学特性是影响gan器件性能的非常重要的因素之一。非故意掺杂的gan材料通常都是n型的，电子密度通常为10 x 17cm-3左右。目前报道的质量最好的非掺杂的gan材料的电子密度为n=3 x 1016cm-3，电子迁移率为900cm2/vs，但是与砷化镓材料比起来，电子密度还是非常的高的(gaas的为1.8 x 106cm-3)，各种材料的电学参数如表1所示。 gan材料的光学性质gan及其相关iii族氮化物材料通过调整合金组分，可以获得从1.89ev(inn)到6.2ev(aln)连续可调的能带隙，根据带隙与他们的光致发光频谱的关系，它们的发光频谱范围为200nm650nm，因此iii族氮化物发光波长能覆盖从紫外光到可见光这样一个很宽范围的频谱，这是他们称为制备短波长蓝光发光器件倍受关注的材料原因之一。由于gan在蓝光和紫光发射器件上的重要应用，人们特别关注它的光学特性。maruska和tietjen首先精确地测量了gan材料在室温下的直接带隙能量为3.39ev。lagerstedt等人得到了在1.6k下gan的光学带隙为3.503ev。pankove等人估算了一个带隙温度系数的经验公式： （1）以gan材料在发光器件中潜在应用为背景，已经发现了gan多种不同的发光机制，得到了在不同波长下的多个发光峰。这对满足不同情况下的多种应用提供了很好的选择。人们正努力对gan薄膜材料中不同能量位置的发光现象进行充分的研究，希望可以根据需要选取制备技术，增强所需能量位置的发光峰，抑制其它发光峰。现在已知的发光机制包括带边跃迁发光、激子复合发光、杂质或缺陷能级跃迁引起的发光等。3 gan材料的生长要研制高质量和高性能的gan基器件，首先要制备出高质量的gan材料。到目前为止，人们已经对gan的体单晶生长进行了大量的探索，但是，gan材料的获得还是通过异质外延。异质外延的衬底主要有蓝宝石、碳化硅和硅等材料。在gan材料的外延生长中，应用的最广泛的技术主要有金属有机化学汽相外延技术、分子束外延技术以及氢化物汽相外延技术。金属有机物化学气相外延(mocvd)是薄膜生长众多技术中最经常用的技术之一, 它能够制备出高质量的gan薄膜。该方法的优点是生长速率适中，并且适合大规模商业化生产，并且在外延薄膜的过程中，外延层的组分、厚度等都精确可控，设备比较简单，比较适合多层膜的外延生长。分子束外延(mbe)方法属于超高真空外延技术，与金属有机物化学气相外延技术相比，它的优势为生长温度比较低，大概在600到750之间，生长速度慢，因而可以更精确的控制薄膜厚度和薄膜的组分，p型掺杂后不需要退火等优点。所以分子束外延技术最适合于生长对组分和界面的要求精度非常高的器件。但是分子束外延技术最大缺点就是它的生长速率非常低，大概只有0.1到0.15微米每小时，严重制约了改技术的发展。最早进行gan外延生长的技术是氢化物汽相外延(hvpe)技术，此hvpe技术的特点是生长非常速度快，薄膜的厚度非常难以精确控制，并且反应后生成的尾气会腐蚀设备，所以该方法比较难以获得高质量的gan薄膜。经过许多年的研究，人们对hvpe技术进行不断的改进，取得了一定的效果，所外延生长的gan薄膜质量得到了很大的提高，已经接近于mocvd技术生长的gan外延膜。虽然目前mocvd和mbe技术外延出来的gan材料的质量已经很高，可以较好的进行量子阱等比较复杂的结构的生长，但是外延层的缺陷密度还是比较高的。人们在这些技术的基础上又发明了横向外延过生长(elog)技术，使得外延出来的薄膜质量得到了进一步的提高。4 gan材料研究目的及意义gan材料作为第三代半导体材料的典型代表，因其带隙宽度(eg=3.4ev)、发光效率高、电子漂移饱和速度高、热导率高、硬度大、介电常数小、化学性质稳定以及抗辐射、耐高温等特点，在光电子和微电子领域有着巨大的应用前景。特别是在发光二极管、激光器及紫外发光光电探测器等领域广泛的应用前景，更激发了人们对于gan材料研究的兴趣。由于gan外延层厚度的精确控制对于gan器件的外延生长至关重要，因此测量gan外延层的厚度也就显得格外重要。gan光电阴极工作的两种模式示意图分别如图3和图4所示。结合gan光电阴极工作的两种模式，从gan外延层厚度与量子效率特性的关系可以得到，在透射式下，在一定电子扩散长度下，阴极厚度存在一个最佳值，即阴极应当厚得足以吸收大部分的入射光，又薄得足以使受光激发产生的光电子能够到达发射表面。而在反射式下，要求阴极足够厚就行了。因此，对于同一光电阴极，反射式下的量子效率高于透射式下的量子效率的主要原因除了后界面复合速率比较高外，厚的外延层也是主要原因之一。由此，我们可以看出研究gan外延材料的厚度对于研究gan光电阴极具有非常重要的意义。 图3 gan光电阴极反射式工作模式 图4 gan光电阴极透射式工作模式然而，由于gan体单晶材料制备的困难和缺少与之匹配的异质衬底材料，外延gan一般都是在大失配衬底上进行，最常用的就是蓝宝石衬底。大的晶格失配使得gan外延膜呈现镶嵌结构，其中失配位错密度可达1010cm-2。另外蓝宝石不易理解，这都给随后的gan外延膜的测试和器件制作带来了很大可困难。而gan外延膜厚度的测量，最直观的方法就是采用扫描电子显微镜（sem）