（微电子学与固体电子学专业论文）氮化铟及氮化镓的制备及特性研究.pdf

山东师范大学硕士学位论文 氮化铟及氮化镓的制备及特性研究 摘要 i n n 是一种十分优越的v 族化合物半导体材料，是当前世界上最先进的 半导体材料之一。室温下，i n n 的禁带宽度为0 7 e v ，由于在所有的族氮化物 中，它具有最高的饱和电子漂移速度和电子渡越速度以及具有最小的有效电子质 量。同时电子迁移率也比较高。因此，i n n 材料是理想的光电器件( 如激光二极 管，高效太阳能电池) 、高频、大功率、高速电子器件。但是因为i n n 具有低的 离解温度和大的氮气压，所以合成i n n 非常困难。最近几年，随着材料生长和器 件工艺水平的不断发展和完善，一些突破性技术的实现使i n n 材料的研究空前活 跃，i n n 已经成为国际上最热门的研究材料之一目前，磁控溅射法、金属有机 气相沉淀( m o c v d ) 和分子束外延( m a e ) 等方法已经成为制备i n n 的主流工艺， 其中m o c v d 使用的最为广泛。采用上述方法制备i n n ，工艺复杂，设备昂贵， 限制了i n n 材料的制备、生产和应用。现在，国际上有许多科研机构正在探索新 的工艺方法，试图在合适的衬底上制备高质量的i n n 薄膜。 本文中，用纯氧化铟粉末与高纯氨气在高温下直接反应制备氮化铟粉末，较 系统的研究了氮化铟的最佳制备条件、结构及成分。研究了氮化铟粉末在空气、 氮气中的熟稳定性。用氨化i n s i 的办法制备出氮化铟薄膜，且研究了氮化铟薄 膜的结构性质和表面形貌。 x r d 谱表明氮化铟粉末的最佳制备条件是tn h 3 气流量为5 0 0 m l m i n 、氮 化温度为7 0 0 c 和氮化时间为1 4 0 r a i n 。在该条件下制备的氮化铟粉末是六方纤锌 矿结构。温度低于6 5 0 时氮化不完全，高于7 5 0 极易氧化，高于8 0 0 ( 2 发生 分解。i i 】2 0 3 粉末与氨气发生化学反应，生成i n n 粉末，其化学方程式为： i n z 0 3 + 2 n h 3 = = 2 i n n + 3 h 2 0 虽然没有进行有意掺杂，但氮化铟粉末中含有氧和碳是在所难免的。因此 在测量其表面组分时，可以发现氧和碳的存在，含有的氧是化学吸附氧，极少数 是i n 2 0 3 中的氧。 山东师范大学硕士学位论文 用x 射线衍射f x r d ) 、傅里叶红外吸收光谱( f 1 1 r ) 研究了氮化铟粉末在空 气和氮气中的热稳定性。在空气中在4 0 0 c 以前，氮化铟在空气中比较稳定，但 当温度超过5 0 0 时，氮化铟粉末迅速氧化。当温度达到6 0 0 时，氮化铟粉末 被完全氧化。氮化铟氧化反应的化学方程式为： 2 i n n + 3 0 2 - - - - 2 i n 2 0 j 在纯氮气中，在退火温度为6 0 0 时，出现了少量的氧化铟。当温度进步 升高到7 0 0 时，氧化铟含量进一步升高。表明随着温度的升高，氮化铟与系统 中的少量氧反应，生成了氧化铟。当温度升高到8 0 0 时，氮化铟发生了分解， 生成了铟和氮气。综上所述，氮化铟粉末在8 0 0 c 前容易氧化，而在8 0 0 后发 生了分解。氮化铟在氮气中热分解的化学方程式为： 2 i n n 一- - - 2 i n + n 2 利用配有w i l y 型稳流源的j c k - 5 0 0 a 型磁控溅射仪溅射h 靶在s i ( 1 1 1 ) 衬 底上淀积i n 膜。制各条件为：靶和衬底距离为8 c m ，溅射时靶作阴极，衬底作 阳极。真空室本底压强为4 2 x1 0 p a ，溅射时通a r 气3 0 秒，a r 气气压为3p a ； 然后通入氮气，关掉a r 气，氮气气压为3p a 。直流溅射i n 膜时w l y 型5 0 0 稳 流源的输出电压和电流分别为3 9 0 v 和0 1 2 a 。衬底温度室温，溅射时间为1 5 分 钟。然后采用氨化i n s i 膜法制各i n n 薄膜。x r d 和f t i r 谱表明氮化铟薄膜的 最佳制各条件是：n i - 1 3 气流量为5 0 0 r e f r a i n 、氮化温度为7 0 0 和氮化时间为 1 2 0 r a i n 。 用原子力显微镜( a f 旧和透射电镜( t e s o ，对最佳氮化条件下制备的i n n 的 表面形貌进行了观测，发现膜的表面比较平整，且膜是六方结构的氮化铟构成。 虽然没有进行有意掺杂，但氮化铟粉末中含有氧和碳是在所难免的。因此 在测量其表面组分时，可以发现氧和碳的存在，含有的氧是化学吸附氧，极少数 是i n 2 0 3 中的氧。 本文最后介绍采用溅射加氨化的两步生长法在s i 衬底上分别采用金属i n 和 h 2 0 3 做中间层生长g a n 薄膜。主要研究了氮化温度和氮化时间对g a n 薄膜结 构和表面形貌的影响，并找出用此方法制备g a n 薄膜的最佳生长参数。 利用金属i n 做中间层制各g a n 薄膜。采用x r d 、f t i r 、x p s 、s e m 、a f m 和t e m 对薄膜进行组成、结构和表面形貌分析，结果表明在9 0 0 时o a n 薄膜生 山东师范大学硕士学位论文 长质量最好。 利用金属i n 2 0 3 做中间层制备g a b 薄膜。采用x r d 、f t i r 、x p s 、s e m 和 t e m 对薄膜进行组成、结构和表面形貌分析，结果表明在9 0 0 c 时g a n 薄膜生 长质量最好。 关键词：i n n 粉末；i n n 薄膜：g a n ；磁控溅射：氮化 分类号：t n 3 0 4 i 山东师范大学硕士学位论文 f a b r i c a t i o na n dp r o p e r t i e so fi n na n dg a n a b s t r a c t i n d i u mn i t r i d ei so n eo fam - vn i t r i d es e m i c o n d u c t o rw i t had i r e c tb a n dg a po f o 7 e v i th a st h es m a l l e s te f f e c t i v ee l e c t r o nm a s so fa l lt h eg r o u p - i t n i l r i d e s ，w h i c h l e a d st oh i g hm o b i l i t ya n dh i g hs a t u r a t i o nv e l o c i t y , a n dal a r g ed r i f tv e l o c i t ya tl o o m t e m p e r a t u r e d u et ot h e s ep r o p e r t i e so fi n n ，i th a sp o t 咖a la p p l i c a t i o n si n o p t o e l e c t r o n i cd e v i c e s ，s u c ha sl d sa n dh i g he f f i c i e n c ys o l a rc e l l s ，a sw e l la sh i g l l f r e q u e n c y 曲p o w e r ) e l e c t r o n i c d e v i c e s b e c a u s ei n nh a sav e r yl o w d e c o m p o s i t i o nt e m p e r a t u r ea n dr e q u i r e sal a r g eo v e r p r e s s u r eo f n ，i ti sv e r yd i f f i c u l t t os y n t h e s i z e i nr e c e n ty e a r s ，t h er e a l i z a t i o no fs o m ep i v o t a l l yt e c h n i c a lm e t h o d sa n d t h ed e v e l o p m e n to fm a t e r i a l sg r o w t ha n dd e 、，i c e st e c h n i c sm a d e i n nt ob et h e r e s e a r c hf o c u so f t h ew o r l d t h e r ea r es o m er e p o r t so nt h i nf i l md e p o s i t i o no f i n n b y r a d i of r e q u e n c yr e a c t i v es p u t t e r i n g ，m o c v da n dm b e i e a m o n gt h e s em e t h o d s ， m o c v di st h em o s ti m p o r t a n ta n dw i d e l yu s e db yr e s e a r c h 粥b u tb o w l a r g e - s c a l e a p p l i c a t i o no fi n nd e v i c e si sc o n f i n e df o rt h er e a s o no fc o s t l ye q u i p m e n t sa n d c o m p l i c a t e dt e c h n i c s m a n yr e s e a r c hi n s t i t u t e sa n du n i v e r s i t i e si nt h ew o r l da 仃y i n g t og r o wi n nm a t e r i a l sw i t hs i m p l ea n dl o wc o s tm e t h o d s i nt h i sd i s s e r t a t i o n , i n np o w d e r sh a v eb e e ns y n t h e s i z e db yn i t r i d i n gi n ：0 3 p o w d e r si naf l o wo f n h 3 a t7 0 0 cf o r1 4 0m i l l av e r yc o m p r e h e n s i v ei n v e s t i g a t i o n i sc o n d u c t e di n t ot h eo p t i m u mn i t r i d a t i o nc o n d i t i o n ，t h es t r u c t u r a l ，t h ec o m p o n e n t , t h ec h e m i c a lb o n d i n gs t a t e s ，o p t i c a lc h a r a c t e r i z a t i o n t h et h e r m a ld e c o m p o s i t i o n b e h a v i o r so fi n d i u mn i t r i d ep o w d e r si nt h ea i ra n di nt h ep u r en i l 】 o g a ng a sa r e i n v e s t i g a t e d t h ei n n t h i nf i l mw a ss y n t h e s i z e db ya m m o n i a t i n gt h ei nt h i nf i h ni na n o p e nq u a r t zt u b ei n s i d eah o r i z o n t a lq u a r t zt u b e t h es t r u c t u r a la n dt h es u r f a c e m o r p h o l o g yo f t h e s ef i l m sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d f r o mt h ex - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) p a t t e r n s ，i ti sf o u n dt h a tt h eo p t i m u m n i t r i d a t l o nc o n d i t i o ni sa tan h 3f l o wr a t eo f5 0 0 m l m i na n da tan i t r i d a t i o n 山东师范大学硕士学位论文 t e m p e r a t u r eo f7 0 0 cf o r1 4 0 m i n i n np o w d e rb e l o n g st ot h eh e x a g o n a ls t r u c t u r e t h en i t r i d a t i o ni si n c o m p l c t eb e l o w6 0 0 ( 2a n di n nc a nb ec o s i l yt u m c di n t oi n 2 0 3 a b o v e7 0 0 a n dd e c o m p o s e da n dt u r n e di n t oi na n dn 2a b o v e8 0 0 c t h ec h e m i c a l r e a c t i o nf o r m u l ai sa sf o l l o w s ， i n ：o h + 2 n h 3 = 2 i n n + 3 h 2 0 i n d i u mn i t r i d ec a nb eh y d r o l y z c de a s i l yb ya i rm o i s t u r e i ti su n a v o i d a b l et h a ta t y p i c a lx - r a yp h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p y ( x p s 、嘶d es c 缸s p e c t r u mo f i n d i u mn i t r i d e i n c l u d e si n , n ，oa n dcp e a k s , a m o n gw h i c hoa n dcp e a k sc o m ef r o mt h es u r f a c e a d o s o r p t i o no f c c h ，h 2 0a n d0 2 f r o ma i ra n df e wi n 2 0 3p o w d e r s t h et h e r m a ls t a b i l i t yo fi n np o w d e r su n d e rt w od i f f e r e n tc o n d i t i o n s ( a 近n i t r o g e n g a s ) a r ca n a l y z e db yu s i n gx - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) a n df o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e d ( f t m ) i n nw a ss t e a d yi nt h eo p e na i rb e l o w4 0 0 c am a j o r i t yo f i n n 哪c o n v e r t e d i n t oi n z 0 3w h e nt h et h e r m a lt e m p e r a t u r ee x c e e d e d5 0 0 w h e nt h et e m p e r a t u r ew a s i n c r e a s e dt o6 0 0 。i n nw a sa l lt u r n e di n t oi n z 0 3t h ec h e m i c a lr e a c t i o nf o r m u l ai sa s f o l l o w s ， 2 1 n n + 3 0 尸2 i n 2 0 3 i nt h ee n v i r o n m e n to f n i t r o g e ng a s ，af e wi n np o w d e r sc a l lb et u r n e di n t oi n ：0 3 p o w d e r sa b o v e6 0 0 ( 2i nt h ep u r i t yo f n 2g a s a st h et e m p e r a t u r ei si n c r e a s e d t o 8 0 0 。c ，i n np o w d e r sb e g i nt od i s s o c i a t e t h ei nf i l mw a sd e p o s i t e do ns i ( 1 1 1 ) u s i n gaj c k 一5 0 0 ar m a g n c t r o ns p u t t e r i n g s y s t e m t h ec o n d i t i o n so fs p u t t e r i n gw c l 2a sf o l l o w s ：t h eb a c k g r o u n dp r e s s u r ew a s 4 0 1 酽p a ：t h ed i s t a n c eb 武w e f f a t a r g e t sa n ds u b s t r a t e sw a s8c m ；t h ep r e s s u r eo f a t ( 9 9 9 9 9 ) w a s3p a a f t e r3 0 s ，n 2 ( 9 9 9 9 9 ) i n s t e a do fa rw a si n t r o d u c e dt ot h e c h a m b e r t h ep r e s s u r eo f n 2w a s3p a t h ei nf i l mw a sg r o w nb ys p u t t e r i n ga ni n d i u m ( 9 9 9 9 t a r g e tw i t hr p o w e ro f1 5 0 wf o r1 5r a i n x r da n df t i r s h o wt h a ti n n f i l mh a sb e e ng r o w no ns i ( 1 1 1 ) b y n i t r i d i n gi n d i u mf i l mu n d e ra f l o wo f a m m o n i aa t 7 0 0 f o r2h o u r s f r o ms c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) i m a g e sa n dt r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p y ( t e m ) i m a g e so fi n nf i l m ss y n t h e s i z e da t t h eo p t i m u mn i t r i d a t i o n c o n d i t i o n i tc a nb ef o u n dt h a tt h es u r f a c e so fi n nf i l m sa r es m o o t h a n dt h ep r o d u c t s v 山东师范大学硕士学位论文 a 把h e x a g o n a li n n s t r u c t u r e i n d i u mn i 仃i d ec a bb eh y d r o l y z e de a s i l yb ya i rm o i s t u r e i ti su n a v o i d a b l et h a ta t y p i c a lx - m yp h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p y ( x p s 、w i d es c a ns p e c t r u mo f i n d i u mn i t r i d e i n c l u d e si n ，n ，oa n dc p e a k s ，a m o n gw h i c ho a n dc p e a k sc o m ef r o mt h eb n l r f a c e a d o s o r p t i o no f c 0 2 ，h 2 0a n d0 2 f r o m a i ra n df e wi n 2 0 3 i nt h i s p a p e r , g a nf i l m sw e r ep r e p a r e dt h o u g hm a g n e t r o ns p u t t e r i n ga n d a m m o n i a t i n g 即韶淄o ns i ( 111 ) s u b s t r a t e s 1 kt w oe x p e r i m e n tr o u t e sa r ec a r r i e d o u tt os y n t h e s i z eo a nf i l m s ：( 1 ) g a nf i l m sa r es y n t h e s i z e do ni nm i d g el a y e r d e p o s i t e do ns i ( 111 ) s u b s 订a t e s ( 2 ) g a nf i l m sa r es y n t h e s i z e do n1 n 2 0 3m i d d l el a y e r d e p o s i t e do i ls i ( 1 1 1 ) s u b s t r a t e s t h ei n f l u e n c eo fn i t r i d a f i o nt e m p e r a t u r ea n d n i t r i d a t i o nt i m eo nt h ep r o p e r t i e so fg a nf i l m sw a si n t r o d u c e d t h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h en i 仃i d a t i o nt e m p e r a t u r ea n dn i t r i d e t i o nt i m ep l a ya ni m p o r tr o l ei n t h ec r y s t a l q u a l i t ya n dt h es u r f a c em o r p h o l o g yo f t h eg a nf i l m s & a nf i l m sa r cs y n t h e s i z e do ni nm i d d l e l a y e rd e p o s i t e do ns i ( 111 ) s u b s t r a t e s t h em o r p h o l o g y , b t r u c u l r e a n dc o m p o n e n t so fc r a n 丘h sw e r ea n a l y z e d t h o u g hx - r a y 删h c t i ( x r d ) ，f o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e d 口t m ) ，x - m y p h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p yg 口s ) s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e h 仇a t o m i c f o r c em i c r o s c o p y ( a f m ) ，h ”a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ( t e m ) t h er e s u l t s s h o w e dt h a tn i t r i d e da t9 0 0 cf o r1 5m i n u t e sh a v et h eb e s tc r y s t a lq u a l i t ya n ds u r f a c e m o r p h o l o g y g a nf i l m sa r es y n t h e s i z e do ni nm i d d l el a y e rd e p o s i t e do ns i ( 1 1 1 ) s u b s t r a t e s t h e m o r p h o l o g y , s 乜u c l 胍a n dc o m p o n e n t so fg a nf i l m sw e r ea n a l y z e dt h o u g hx - r a y d i f 如c t i o n ( x r d ) ，f o u r i e r t r a n s f o r m i n f r a r e d ( f t m ) ，x - r a yp h o t o e l e c t r o n s p e c t r o s c o p y ( x p s ) ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ，a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ( a f m ) ，t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y h d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tn i t r i d e da t 9 0 0 cf o r1 5m i n u t e sh a st h eb e s tc r y s t a lq l l a l i t ya n d5 u l f a c em o r p h o l o g y k e y w o r d s ：i n np o w d e r s ；i n nf i l m s ；g a n ；r m a g n e t r o ns p u t t e r i n g ；n i t r i d a t i o n c l a s s i f i c a t i o n ：t n3 0 4 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得( 注：如没有其他需 要特别声明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 剃姗躲立游 字：劫易 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堂撞有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本 人授权堂撞可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密 后适用本授权书) 学位做作者签名龋莹 导师签字 签字日期：2 0 0 7 年6 月；日 ， 乞。旷易 签字日期：2 。7 年月目 | 山东师范大学硕士学位论文 1 1 概述 第一章绪论 在半导体产业中，一般将s i 、g e 称为第一代半导体材料，将o a a s 、g a p 等 称为第二代半导体材料，宽带隙( e g 2 3 e v ) 半导体材料近年来发展十分迅速， 成为第三代半导体，近年来发展十分迅速，成为第三代半导体，其主要包括s i c 、 z n s e 和族氮化物g a n a l n 等。与第一、二代半导体材料相比，这些材料具有 禁带宽度大、电子漂移饱和速度高、介电常数小、导电性能好特点，更加适合于 制作高温、高频及大功率电子器件，在微电子和光电子领域具有十分广阔的潜在 应用优势【切。 在宽禁带半导体材料中，s i c 和z n s e 在相对长的一段时间内一直是研究和 开发的重点，尽管s i c 为间接带隙材料，其蓝光二极管( l e d s ) 的发光亮度低， 但s i c 蓝色l e d s 产品在g a n 蓝光l e d s 实现商品化之前仍是唯一的商品化的蓝 光l e d s 产品；而z n s e 材料可以制作蓝光激光二极管，但距离商品化尚远【3 】。 g a n 基材料与其相比具有以下优点：1 c _ m n 基的器件可工作在可见光至紫外光 区，而z n s e 基的器件只能工作在可见光区；2 g a n 基材料以及它的衬底( 蓝宝 石、s i c 、s i 等) 的热稳定性远高于z n s e 基材料以及它的衬底( g a a s ) ，这使得 g a n 基器件( 特别是具有高功率密度的激光器) 不易退化，使用寿命长；3 g a n 和a j n 的晶格失配( 2 5 ) 比z n s e 和z n s ( 4 4 ) 小，这使异质结构设计更具有 灵活性。 g a n 是由j o h n s o n n 等人于1 9 2 8 年合成的一种一族化合物半导体材料， 由于单晶体获得的困难，所以对它的研究未得到很好的进展。1 9 6 9 年，m a r u s k a 和t i e t j e n “成功制备出了单晶g a n 薄膜，给这种材料带来了新的希望。但在此 后很长时期内，g a n 材料由于受到没有合适的衬底材料、n 型本底浓度太高和无 法实现p 型掺杂等问题的困扰，进展十分缓慢。进入9 0 年代以来，由于缓冲层 技术的采用阶1 和p 型掺杂技术的突破o ”，以及1 9 9 1 年以后，因o a n 系列的高 亮度l e d 研制成功，才使沉寂多年的族氮化物半导体材料生长和器件应用研 山东师范大学硕士学位论文 究又掀起了新的热潮【】o t j 。 经多年的研究和发展，g a n 和a i n 的生长技术研究、特性研究以及器件应 用研究都已取得长足的发展【1 2 3 3 1 。但是因为i n n 具有低的离解温度，要求低温生 长，而作为氮源的 n i t - 1 3 的分解温度较高，这是i n n 生长的一对矛盾i 。其次， 对于i n n 材料生长又缺少与之匹配的衬底材料，这就使得高质量i n n 材料生长特 别困难，i n n 材料的研究几乎没有取得什么进展1o 1 4 1 。人们对i n n 材料的性质也 知之甚少1 1o 嘲。 最近几年，特别是2 0 0 2 年对i n n 材料本征能认识的突破，对于更纯的i n n 材料，其能隙是o 6 _ _ 0 7 e v 而不是人们一致认为的1 9 e v l l ( l s l 。这使得i n n 材料 在微电子和光电子领域中的应用将有更好的前景，同时在国际上也因此掀起了一 股i n n 材料的研究热潮。 理论研究表明, i n n 材料在m 族氮化物半导体材料中具有最高的饱和电子漂 移速度和电子渡越速度以及具有最小的有效电子质量。同时电子迁移率也较高 【1 0 t 1 8 1 9 2 0 。因此, i n n 材料是理想的高速、高频晶体管材料【2 1 j 。 由于i n n 材料是直接带隙材料，最新研究表明其带隙为o 6 _ _ 0 7 e v , 这使得 i n l 。o a x n 三元合金材料的能隙范围能够随合金中c h 组分x 的变化从i n n 能隙的 0 7 e v 到g a n 能隙的3 4 e v 自由调节【1 0 】。 它提供了对应于太阳能光谱几乎完美的对应匹配能隙，这为设计新型高效材 料的太阳能电池提供了极大的可能。理论上，给予i n n 材料的太阳能电池的光能 转换效率有理论研究表明可能接近太阳能电池的理论极限光电转换效率 7 2 t 埘。因为本征带隙的减少，使得i n n 的发光波长达到了1 5 5 u r n ，这样人们 就可以用族氮化物半导体材料通过生长组分连续调整变化覆盖从紫外光到红 外光范围，并一直延伸到长波常通信波段，使得光通信器件制备可选用材料得到 更大的丰富。同时i n n 以其独特的优良特性有可能为光通信器件的发展带来新的 突破。 i n n 材料由于具有较低的离解温度( 6 0 0 c ) 和较高的饱和蒸气压，而生长的氮 源离化温度要求很高( 1 0 0 0 c ) ，这是材料的一对矛盾，因此采用一般的方法很难制 备单晶体材料随着材料生长技术的不断发展进步以及材料生长工艺的提高，现在 可以在一些不同的衬底材料上外延生长得到质量较好的i n n 薄膜单晶材料，这使 2 山东师范大学硕士学位论文 得材料的应用研究迈进了一大步。 1 2i n n 材料的基本性质 在通常情况下，i n n 以六方型的纤锌矿结构存在。但在一定条件下也能 够以立方对称的闪锌矿结构存在。这两种结构的主要区别在于原子层的堆积 次序不同，图1 1 ( a ) 和图1 1 ( b ) 显示了i n n 这两种结构的原子排列。因结构不 同，其电学性质也有明显的差别。表1 给出了室温时的带隙宽度和晶格常数。 表2 是最新的i n n 电学特性表。从表中可以看出，h 】n 材料的室温电子迁移率 目前已经达到1 4 3 0 c m 2 n s ，这在半导体材料中属于较高的。在蓝宝石衬底上生 长的非故意掺杂i n n 样品的n 型本底杂质也可达到l 1 01 8 c m 3 i n n 具有 族氮化物半导体材料中所具有的最高饱和电子速度4 3 1 0 7c m s 以及具有 最小的有效电子质量【l d 】。 铷) 烹宏瀚称钧斑褥矿缘翰c b ) 熬露鬻裙构蓊蟛矿端耪 图1 1i n n 材料的原子排列“” 带骧蜜濑)荔格常数 薅赢x 熬膨联系教 豺稠锗构 ，锇a m( 1 0 t r ) g n 六穷3 搠 d m 0 3 1 秘 2 蝴 5 窝k i d _ o ，色5 l 弱 立方埘 _ a1 5 2 0 3 1 7 x 1 0 描拊穴方蚴 0 3 1 1 23 5 4 2 x 1 0 6 a 畦憎睨 妨 5 1 l一o1 3 85 3 x 1 0 4 h n 六努 a 7 - 0 8_ 0 3 5 4 s z 加d 电m 立方 q 6 q 3, 0 4 9 a 0 表1 两种结构i n n ，g a n 和a 1 n 的带隙宽度和晶格常数( 3 0 0 k ) 1 1 0 】 3 山东师范大学硕士学位论文 有效电子电子渡越饱翱电子 瞧予迁移攀 零程 材辫 质量速度速度 ( 翻产铲神 杂质 m ,( m 一)( 嘲种 c m d i n n0 1 1 i o x l f f4 3 汉浮l 枷 i l 铲 g dd3 苏l 旷 2 5 x 1 0 09 0 0 - 4 x 1 0 1 翁0 1 9i 苏好 投l 妒l 镧l x l 铲 c 幽o 0 6 5龟5 x l 萨| z 锹心跖 i l 扩 表2i n n ，g a n 等的电学特性田 1 3g a n 的基本性质及应用 1 3 1 g a n 的基本性质 1 g a n 的物理性质 g a n 具有三种晶体结构：六方结构( 纤锌矿w u r t z i t e ) 、立方结构( 闪锌矿z i n c b l e n d e ) 、- q ( r o c k - s a j o t n 。通常情况下g a n 晶体里六方或立方两种结构， 只有在极端高压条件下才能出现岩盐结构。六方和立方结构的差别只在于原子的 堆积次序不同。 六方c r a n 的晶体结构中原子的堆积方式为； a a b b a a b b a a b b a a b b 立方g a n 的晶体结构中原子的堆积方式为： a a b b c c a a b b c c a a b b c c 晶体结构的差异决定了材料物理性质的不同。图1 2 给出了六角纤锌矿结构 和亚稳态立方闪锌矿结构g a n 示意图。表3 列出了六方和立方g a b 的一些基本 物理参数。 4 山东师范大学硕士学位论文 on i u o 筘n g a l l i u m 图1 2 氮化镓的纤锌矿晶体结构( a ) 和闪锌矿晶体结构( b ) 纤锌矿结构g a n闪锌矿结构g a n 3 3 9 e v ( 3 0 0 k ) 带隙能量e g 3 玉o 3 e v ( 3 0 0 k ) 3 5 0 e v ( 1 6 k ) 带隙温度系数( t = 3 0 0 k ) d e g ( d t ) = 一6x 1 0 4 e v k 带隙压力系数( t = 3 0 0 k ) d e g ( d p ) = - 4 2x1 0 3 e v k b a r a = 3 1 8 9 2 + o 0 0 0 9 a 晶格常数( a ) a = 4 5 2 a c = 5 1 8 5 0 0 0 0 0 5 a a a a = 5 5 1 0 - 6 k 热膨胀系数( t = 3 0 0 k ) a c c = 3 1 7 x1 0 - 6 k 施主受主峰值能级( t = 5 3 k ) 3 1 9 6e v 自由电子受主峰值能级( t = 5 3 k ) 3 2 1 2e v 热导率 k = - i3 ) 鼬l 嫩 l l ( 1 e v 产2 3 3 折射率 n ( 3 3 8 e 、作= 2 6 7 印v 8 9 介电常数 岛【- 5 3 5 电子有效质量 m 爿0 2 0 + _ 0 0 2 ) t o o a 1 f f o ) = 5 3 2 c m 1 e l ( t o ) = 5 6 0 c m 1 7 4 0 c m - 1 声子模式e 2 = 1 4 4 5 6 9 c m l 4 0 3 c m - l a t ( l o ) = 7 1 0 c m 1 e l ( l o ) = 7 4 1 c m 1 表3 纤锌矿结构g a n 和闪锌矿结构g a n 的主要物理性质 山东师范大学硕士学位论文 2 g a n 的化学性质 g a b l 具有强硬度、抗常规湿法腐蚀的特点。在室温下，它不溶于水、酸和 碱，但能缓慢地溶于热的碱性溶液。g a n 的热稳定性在高温和大功率应用场合 显得至为重要。g a n 在h c l 或h 2 气氛下在高温中呈现出不稳定特性，而在n 2 气氛下最为稳定】。虽然经过许多研究者的努力，但是目前尚未确立一种合适的 湿法刻蚀工艺，现在主要用等离子体工艺进行刻蚀刚。 3 g a n 的电学特性 非故意掺杂的g a n 样品一般都存在较高( 1 0 1 8 c m - 3 ) 的n 型本底载流子浓度， 一般认为这是由于氮空位引起的。现在好的g a n 样品的n 型本底载流子浓度可 以降低到1 0 1 6 c m - 3 左右，室温下的电子迁移率可以达到9 0 0 c m 2 v s g s 。n a k a m u r a 小组 9 1 采用热退火处理技术，方便地实现了掺m g 的c r a b 样品的p 型化。目前已 经可以制备载流子浓度为1 0 1 1 锄d 1 0 2 0c m 。3 的p 型g a n 半导体材料。n 型q i n 半导体材料的获得是通过掺s i 或g e 来实现的。载流子浓度范围分别为1 0 1 7 c m 3 2 x 1 0 1 9 c m d 和7 x 1 0 1 6 c m - 3 1 0 1 9 0 1 1 1 。3 。 4 g a n 的光学眭质 g a n 室温禁带宽度为3 4 e v ，是优良的光电子材料，其发光特性一般在低温 ( 2 k 、1 2 k 、1 5 k 或7 7 k ) 2 8 】下获得。文献【哪川较早的报道了低温下纤锌矿结 构g a n 的荧光( p l ) 谱，文献【3 1 】报道了闪锌矿结构g a n 的阴极荧光光谱。 5 磁学性质鼬1 日本真空公司( 1 v a c ) 从2 0 0 0 年开始着手对g a n 类稀薄磁性半导体的开 发，合成出室温下可显示出强磁性的g a n 类稀薄磁性半导体。这种半导体材料 的制法，是利用在真空中加热金属，使结晶成长在基板上的m b e 法，而在添加 金属锰的同时，以氨为氮源，铡成g a b l 膜，锰的组成比在百分之几以下。这种 半导体材料无论在高温或室温下皆可动作。该材料对可见光呈透明，有所谓“透 明磁石”的特征。 6 山东师范大学硕士学位论文 1 3 2b a n 基发光器件的应用 1 高亮度蓝光发光二极管( l e d ) 高亮度蓝光发光二极管( l e d ) 的商品化使动态信息显示平板实现全色显示。 全色动态信息显示平板可以广泛的应用于体育场馆、车站、机场、工商业等行业 的大型和超大型全色显示屏，而蓝光l