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GaN基LED及其材料摘要：宽禁带-族化合物半导体的性能和研究进展已经使大功率紫外光/ 蓝光/ 绿光光发射二极管走向商业市场。通过引用马老师关于LED及其衬底技术的讲座，在本文中简单概述了GaN基LED的发光原理、制备技术以及相关问题，对GaN基LED及GaN材料的基本知识得以更进一步的了解。对日后学习GaN材料的其他相关知识也具有一定的指导作用。一、GaN基LED概述随着科学技术的发展，人类的照明方式也不断更新换代，经历了从原始的明火照明，到如今的白炽灯、荧光灯、卤素灯，以及最新一代的氮化镓(GaN)发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)固态照明的发展过程。GaN基LED的发光效率和使用寿命都远远高于传统照明光源，可广泛使用在各类灯具、汽车的车前大灯和刹车灯等照明领域，可制备出红、绿、蓝三原色LED，用于电子设备、广告牌以及交通信号灯等全色显示领域，可提高光纤通讯的传输效率。此外，LED还可以应用于生物、医疗、化工和光通信等领域。LED最基本的结构就是p-n结，由p型GaN和n型GaN组成，其典型结构可见图5。在同质p-n结两端加上一定的正向偏压时，p-n结的能带发生变化，如图6所示。这时，n型GaN区的电子向p区扩散，p型GaN区的空穴向n区扩散，电子和空穴在耗尽区发生辐射复合从而发射出光子。图5 LED典型结构图图6 （a）热平衡下和 （b）正向偏压下p-n结能带图而光子的波长和半导体材料的禁带宽度Eg的关系为 =hcEg 其中， h 是普朗克常数，c为光速。当然，这种结构LED发光效率极低，发出的光子容易被价带的电子吸收，所以无法做成实用的LED器件，这需要我们在对他的结构再做进一步调整才行。不过，通过图7 III族氮化物GaN、AlN和InN的晶格常数、禁带宽度和发光波长的示意图可看出，III族氮化物GaN、AlN和InN之间的组合能形成相应的三元化合物和四元化合物，其禁带宽度所对应的发光波长可覆盖全部可见光和部分红外、紫外光。例如，通过调节AlGa InN中合金的组分比例，可以获取从0.7eV(InN)一直连续变化到6.2 eV(AlN)的宽带隙范围。图7 典型III族氮化物的晶格常数、禁带宽度和发光波长的关系图二、GaN材料生长GaN的熔点（2300）远高于其分解点（900），这使得GaN 在其熔点处需要很高的平衡氮气压。因此 GaN的体晶生长很难用传统的生长方法如拉单晶法和区熔法来实现，目前GaN体晶生长技术有两种：高氮压熔法和AMMONO法。利用这两种方法得到GaN体晶存在很多技术问题，目前还很难解决。因此，GaN晶体薄膜的外延生长引起了研究人员的高度关注，并取得了较大的发展。GaN 晶体薄膜外延生长包括同质外延生长和异质外延生长两种。这两种外延生长的生长技术有三种：HVPE技术、MOCVD技术和MBE技术。从生长速率上来看，HVPE最高，MOCVD次之，MBE最低；但从GaN 晶体质量上来比较，MBE最好，MOCVD 次之，HVPE最差。 由于很难制作出大尺寸、高质量、低成本的GaN体晶，GaN基LED 的材料生长主要以异质外延生长为主。由于衬底材料是半导体照明产业技术发展的基石。不同的衬底材料, 需要不同的外延生长技术、不同的芯片加工技术和不同的器件封装技术。也就是说, 衬底材料在一定程度上决定了半导体照明技术的发展路线。因此, 在衬底的选择和评价时, 必须考虑衬底本身的物理化学性能, 对材料外延、器件加工、器件应用、价格等综合因素的影响。从长远发展来说, 随着外延技术的进步和器件加工工艺的发展, 不同的衬底技术路线优胜劣汰, 有前途的应是有利于大幅度提高半导体光源性能价格比的衬底。GaN衬底材料的选择主要取决于结构、界面、化学、电学、热学、机械等方面的特性以及尺寸、成本的大小。目前，GaN基器件所用衬底主要是蓝宝石、SiC和Si。 蓝宝石衬底的尺寸可以做得比较大，而且成本较低，是GaN材料应用最多的衬底。但是蓝宝石与GaN之间的晶格失配和热失配比较大，这使得外延材料中产生了很大密度的位错，影响了器件的质量。除此之外，低热导率也限制了其在功率器件领域中的应用。SiC与GaN之间的晶格失配和热失配都比较低，因此，SiC上面的GaN外延层位错密度较低，结晶质量较高。与蓝宝石不同，SiC具有很高的热导率，这使得SiC成为了适合于大功率器件的材料之一。SiC通过掺杂可以做成低阻材料，在背面可以做电极，简化了器件工艺。然而，较高的成本使 SiC的研究进展缓慢。除了蓝宝石和SiC，Si由于成本低、尺寸大、电阻率低、热导率高等优点，而成为近几年的研究热点。三、GaN材料的掺杂对GaN基LED器件来说，P型材料的空穴浓度直接影响着器件的发光效率和强度等重要参数。GaN基器件的核心工作区域为p-n结，由于n型GaN中电子的有效质量相对较低，迁移率高，因此可以很容易地溢出有源区进入p型区，与空穴进行非辐射复合。p型GaN中空穴的有效质量大，p掺杂效率低，并且能带弯曲会引起的极化现象，空穴注入有源区变得更加困难。因此对GaN材料N型掺杂和P型掺杂的控制尤为重要。N型掺杂技术比较简单，通常使用施主元素Si进行掺杂即可。P型掺杂的主要掺杂剂是Mg，但一般掺杂后得到的是高阻材料，必须经过热退火后才能得到P型材料，原因是受主原子Mg和残留的原子H会形成Mg-H复合体，这种复合体导致了Mg的钝化效应。通过高温退火，或低能电子束照射，等手段可使Mg-H键断开，激活受到钝化的受主Mg。但并不是说掺杂Mg的浓度越高，可得到的载流子浓度就越高。四、GaN基LED结构及其原理目前，商业化的GaN基蓝光LED多采用InGaN/GaN多量子阱结构，其结构示意图如图8所示。先在蓝宝石衬底上生长一层无掺杂的GaN作为缓冲层，再生长一层Si掺杂的GaN层作为n型区，紧接着生长多个周期的InGaN/GaN多量子阱作为复合发光区域，再生长p型AlGaN作为电子阻挡层（EBL），然后再用Mg掺杂GaN层作为p型区，最后在p型层和n型层两端分别形成两个电极。图8 InGaN/GaN多量子阱LED的基本结构多量子阱结构是由多个双异质结结构构成的。在双异质结结构的两端时，由于两端材料的禁带宽度比中间材料大，所以会在能带中形成一个类似阱的形状，如图2-7所示。当外加一定的正向电压时，n型区的电子进入中间区域后，由于电子势垒的阻挡会被限制在阱内；同理，p区的空穴进入中间区域后，由于存在着空穴势垒，空穴也会被限制在阱内。此时被限制在阱内的电子空穴发生辐射复合，释放出光子。五、总结LED在生活中的广泛应