《宽禁带半导体发光材料》2.1氮化物材料的性质1
《宽禁带半导体发光材料》3.1MOCVD设备与氮化物材料生长基础
MOCVD通常的性能指标
硬件性能参数
衬底温 度
反应室 压力
衬底转速 范围
稳定性 均匀性 升温速率
范围
控制精度
系统气 密性
管路系统漏气率 反应室漏气率
0-2000转/分钟 100～1200℃
±1℃ ±3℃（在1000℃）
0.5 ℃-3℃/s 20-760Torr
MOCVD技术由于能在纳米尺度上精确控制外延层的厚度、组分 、掺杂及异质结构界面，所以其与分子束外延技术（MBE）一起 成为制备化合物半导体异质结、低维结构材料的重要方法。
MOCVD技术是一种动态非平衡生长技术，外延生长是高度受控 的相转变。因此，热力学完全决定着所有生长过程的驱动力，进 而确定最大生长速率。此外，在许多生长条件下对于外延热力学 的了解，可以确定合金的组分以及固体的化学配比。
Desorption
Diffusion
Pyrolysis
Adsorption
Surface reaction
Substrate
NH3
H
N
Ga(CH3)3
CH3
Ga
MOCVD的优势
高质量外延层
高生长速率 掺杂均一 重复性好
高量产，不需要超高真空（对比MBE）
成本优势 降低生长周期
高灵活性
同一系统可生长多种不同材料体系
陡峭界面适宜生长异质结
MQW，SLs
MOCVD生长的关键过程
化学反应
单相反应─气相中形成内核
源的高温分解及其加合物 复杂的激活反应
多相反应─衬底表面
台阶,结,及其引起的“缺陷”的性质和密度 源及其中间态的吸附和解吸作用 高温分解,包括复杂的激活反应 产品的吸附作用
《宽禁带半导体发光材料》3.3氮化物材料的发展1
不同In组分InGaN材料中的微结构
CL Spectra for x~(0.07-0.35)
SEM and XTEM images for x~(0.07-0.35)
InGaN材料中的位错缺陷主要 来自于下层材料； In组分越高，缺陷浓度越高， 晶体质量越差； In组分升高，光谱红移，强度 下降。
1994年，经过多年InGaN层的优化生长，第一颗InGaN双异质结高亮 度蓝光LED诞生(2.5 mW Output Power @ 450 nm) 。
InGaN/AlGaN Double Heterostructure LED
Output Power vs. Current
InGaN材料的发展
InGaN材料可用于制备近紫外、蓝、绿、黄光LED
InGaN材料生长的困难
氮化物材料发展历史关键点
InGaN材料的发展
1989 年，Nagamoto等人利用MOVPE首次制备出InGaN材料，高能 电子衍射显示已获得小颗粒单晶材料，XRD结果显示随着 In组分的增 加，材料晶格常数增大；由于生长设备及技术限制，材料质量差，缺 陷发光明显，尚不能实现带边发射。
In组分非均匀性
In组分的不均匀性在器件结果上表现为外延片发光波长的不一致
WLD
平均 -21 值项 -18 -15 -12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12 15 18 -18 -15 -12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12 15 18 总计 526.3 526.7 526.7 526.4 525 526 526 526 527 527 525 526 526 527 527 527 528 528 528 525 526 526 526 527 527 527 528 528 528 527 523 526 526 526 527 526 526 527 527 528a）纤锌矿结构（b）闪锌矿结构
《宽禁带半导体发光材料》3.2氮化物异质结构生长与掺杂技术
薄膜应力的产生机理
界面失配模型 当与衬底晶格结构有较大差异的薄膜材料在衬底上形成薄膜时，若两 者之间相互作用较强，薄膜的晶格结构会变得接近衬底的晶格结构，于是 薄膜内部产生大的畸变而形成内应力。若失配程度比较小，会产生均匀的 弹性变形。相反，如失配程度较大，则会产生界面位错，从而松弛薄膜中 的大部分应变。这一模型一般用来解释单晶薄膜外延生长过程中Leabharlann 力的产 生。位错对发光的影响
GaN epilayer
蓝宝石衬底上GaN 的位错密度为 ~ 1E9 cm-2 位错密度降低至1E6 cm-2 对发光 threading dislocations 影响不大 随着量子阱In组分的增加，位错对 发光的影响将变得非常敏感。
Sapphire
*Nichia, Mukai et. al., Jpn. J. Appl. Phys. 38 (1999) pp. 5735-5739
薄膜应力的产生机理
晶格缺陷消除的模型 在薄膜中经常都含有许多晶格缺陷，其中空位和空隙等缺陷经过热退 火处理，原子在表面扩散时将消除这些缺陷，可使体积发生收缩从而形成 张应力性质的内应力。 相转移效应模型 在薄膜形成过程中发生从气相到固相的转移。例如从气相经液相到固 相的转移及或者其它相位的转移。在相转变时一般发生体积的变化 ,从而 引起应力。
氮化物异质结构生长与掺杂技术 材料生长技术
薄膜外延生长原理 薄膜外延生长技术 薄膜应力 位错
氮化物多量子阱结构
半导体异质结构 极化效应 多量子阱结构设计
氮化物p型掺杂技术
两步法生长
由于 GaN 与蓝宝石晶格失配、热失配很大，直接在蓝宝石衬底上生长 高温 GaN ，则呈现表面粗糙并晶体质量差。为了在蓝宝石衬底上生长 出表面平整的、高质量的 GaN材料，就必须采用特殊的工艺过程，二 步生长法是目前GaN/蓝宝石MOCVD生长技术的一个典型工艺方法。 两步法生长：第一步生长低温缓冲层，具有高密度缺陷；第二步生长高 温外延层，缺陷被逐渐抑制，从而提高了外延膜的结晶质量。
《宽禁带半导体发光材料》2.1氮化物材料的性质2
GaN极性的控制
MBE， PLD 加入AlN层，提高温度，提高生长速度 加入Mg、Al、Ga等金属插入层 使用GaN缓冲层
HVPE GaCl处理宝石衬底 沉积ZnO、AlN等插入层 使用厚的低温GaN缓冲层
MOCVD 注意衬底的氮化，特别是在氢气蚀刻后 低Ⅴ/Ⅲ条件下生长低温GaN 使用AlN插入层
7
非极性/半极性GaN生长技术
8
GaN grown in non-polar direction
• Advantages ----no polarization fields along the growth direction ----no quantum confinement stark effect ----Potential for high internal quantum efficiency
20
自发极化场
• 二 元 化 合 物 GaN, InN ， AlN 分 别 为 ： -0.034C/m2 、 -0.042C/m2 、 0.090C/m2
• 三元化合物（AxB1-xN）：
• 四元化合物：
式中b为修正因子。Psp(AlN)=-0.09，Psp(GaN)=-0.034，Psp(InN)=-
GaN/AlN/sapphire
N-polar On
sapphire
• As-grown
25
极性与腐蚀
Ga-polar On
GaN/AlN/saph
N-polar On
sapphire
• 2M KOH/45min/90oC
26
N极性GaN的腐蚀反应机理
N面
N面 形成Ga2O3, 溶于碱溶液
N面 Ga+OH-
宽禁带半导体材料
其他应用
宽禁带半导体材料在传感器、太阳 能电池、电子束器件等领域也有应 用。
02
宽禁带半导体材料的性质
物理性质
高击穿电场
宽禁带半导体具有高的击穿电 场，可使其在高温和高频下保
持优良的导电性能。
高热导率
宽禁带半导体的热导率较高，有 利于器件的高温工作。
低有效质量
宽禁带半导体具有低的有效质量， 有助于提高其电子和空穴的迁移率 。
方法。
该方法的基本原理是将金属有机物作 为源材料，通过控制反应温度、反应 压力、反应气体的种类和输送到反应 炉中的量等参数，实现高质量宽禁带
半导体材料的可控制备。
与传统的化学气相沉积法相比，金属 有机物化学气相沉积法具有更高的生 长速率和更低的成本，同时还可以实 现不同类型宽禁带半导体材料的可控
制备。
总结词
宽禁带半导体材料具有宽带隙和高透光性等特性，因此在光电器件领域也有 着广泛的应用前景。
详细描述
宽禁带半导体材料在光电器件领域主要应用于LED、激光器和光检测器等光电 器件的制作。这些器件可以应用于光纤通信、光信息处理和光电传感等领域 。
传感和MEMS应用
总结词
宽禁带半导体材料具有高灵敏度、高分辨率和高稳定性等优点，因此在传感和 MEMS领域也有着广泛的应用前景。
该方法的基本原理是将反应气体输送到反应炉中，在一定的温度和压力下，反应气体发生 化学反应并生成固态薄膜。
通过控制反应气体的种类和输送到反应炉中的量，可以精确地控制薄膜的生长速率和厚度 ，从而实现高质量宽禁带半导体材料的可控制备。
溶胶-凝胶法
溶胶-凝胶法是一种在宽禁带半导体材料制备中常用的化学方法。
微波射频应用
总结词
宽禁带半导体材料具有高频率特性、低损耗和高功率容量等 优势，因此在微波射频领域也具有广泛的应用前景。
《宽禁带半导体发光材料》 氮化物材料的性质
II-VI(direct): • ZnO(3.3eV),CdO(2.3eV),
MgO(7.9eV),BeO(10.6eV), ZnCdO(2.3-3.3),ZnMgO(3.37.9),ZnBeO(3.3-10.6) • ZnS(3.77eV),CdS(2.5eV), ZnSe(2.7eV),CdSe(1.74eV), ZnTe(2.26eV),CdTe(1.45eV)
• 第二代半导体材料（60-70年代）：以GaAs为代表。尽管硅在微电子技 术应用方面取得巨大成功，但受制于带隙特点（间接，1.12eV，红外， ，可见光1.6-2.8eV），硅基发光器件进展十分缓慢。20世纪60年代发 展了液相外延及气相外延等方法，生长出高质量GaAs、InP等单晶，促 进了第二代半导体应用。人类进入光纤通讯、移动通信、高速宽带信息 网络时代。
半导体材料的发展
• 第一代半导体材料（40-50年代）：以Si、Ge为代表。1947年，美国贝 尔实验室Bardeen和Brattain发明了Ge点接触晶体管，1948年Schockley 针对点接触晶体管不稳定特点，发明了面接触式晶体管，3人因此获得 了1956年诺贝尔物理学奖。1958年第一块锗集成电路研制成功，开辟了 半导体科学技术的新纪元，导致了电子工业革命。
• 带隙范围覆盖整个可见光到远紫 外波段，特别是在短波长方面， 目前是唯一最佳选择
• 结构稳定，耐腐蚀，长寿命（与 ZnO，ZnSe，SiC发光器件比较而 言）
20
光学性质
• 带隙范围：0.7eV-6.2eV • 全组份直接带隙，发光效
率高 • 光学窗口：1.77µm（对应
半导体材料的华丽家族_氮化镓基材料简介
半导体材料的华丽家族3———氮化镓基材料简介孙 殿 照(中国科学院半导体研究所材料中心 北京 100083)摘 要 G aN 基氮化物材料已成功地用于制备蓝、绿、紫外光发光器件,日光盲紫外探测器以及高温、大功率微波电子器件.由于该材料具有大的禁带宽度、高的压电和热电系数,它们还有很强的其他应用潜力,诸如做非挥发存储器以及利用压电和热电效应的电子器件等.在20世纪80年代末和90年代初,在G aN 基氮化物材料的生长工艺上的突破引发了90年代G aN 基器件,特别是光电子和高温、大功率微波器件方面的迅猛发展.文章评述了G aN 基氮化物的材料特性、生长技术和相关器件应用.关键词 氮化镓,G aN ,宽禁带半导体EX OTIC FAMI LY OF SEMICON DUCTOR MATERIA LS———BRIEF INTR ODUCTION TO G a N BASE D MATERIA LSS UN Dian 2Zhao(Material Center ,Institute o f Semiconductor s ,Chinese Academy o f Sciences ,Beijing 100083,China )Abstract G aN based nitrides have been success fully used in blue Πgreen Πviolet light 2em itting devices ,UV solar 2blind optoelectronic detectors and high 2tem perature ,high 2power m icrowave electronic devices.Due to their large bandgaps ,high pyroelectronic and piezoelectronic efficiencies ,they also have strong potential for applications in other devices such as nonv olatile mem ories and in pyroelectronic and piezoelectronic devices.The breakthroughs achieved at the time around the end of the 1980s in the grow th technique of G aN based materials have led to significant progress in the 1990s of G aN 2based devices ,in particular ,optoelectronic devices and high 2tem perature ,high 2power m icrowave devices.A review is giv 2en here of the characteristics ,grow th techniques and various devices of G aN 2based nitride materials.K ey w ords G aN ,w ide 2bandgap sem iconductors3 2000-08-30收到初稿,2000-11-23修回1 氮化镓基材料的特点及其应用氮化镓基材料,或称氮化镓及其相关氮化物材料、Ⅲ-N 材料,是指元素周期表中ⅢA 族元素铝、镓、铟和V 族元素氮形成的化合物(G aN ,InN ,AlN )以及由它们组成的多元合金材料(In x G a 1-x N ,Al x G a 1-x N 等).这些化合物的化学键主要是共价键,由于两种组分在电负性上的较大的差别,在该化合物键中有相当大的离子键成分,它决定了各结构相的稳定性.Ⅲ族氮化物AlN ,G aN 和InN 可以结晶成下列三种结构:(1)纤锌矿(α相);(2)闪锌矿(β相);(3)岩盐矿.纤锌矿结构是由两套六方密堆积结构沿c 轴方向平移5c Π8套构而成,闪锌矿结构则由两套面心立方结构沿对角线方向平移1Π4对角线长度套构而成.这两种结构基本类似,每个Ⅲ(V )族原子都与最近邻的4个V (Ⅲ)族原子成键.其区别在于堆垛顺序.纤锌矿沿c 轴〈0001〉方向的堆垛顺序为ABABAB …,闪锌矿沿〈111〉方向的堆垛顺序为ABC ABC ….在通常的条件下,热力学稳定相是纤锌矿结构,而闪锌矿结构是亚稳态,只有在衬底上异质外延材料才是稳定的.两种结构的能量差序列是:ΔE (G aN )<ΔE (InN )<ΔE (AlN ),这表明在G aN 中混相问题最为严重.镓氮基材料是宽禁带半导体材料.纤锌矿结构的Ⅲ2N 材料都是直接带隙材料,随着合金组分的改变,其禁带宽度可以从InN 的119eV连续变化到G aN 的314eV ,再到AlN 的612eV [1,2],这相应于覆盖光谱中整个可见光及远紫外光范围.实际上还没有一种其他材料体系具有如此宽的和连续可调的直接带隙(见图1).图1 氮化镓基材料和其他一些半导体材料的禁带宽度和晶格常数的关系理论计算表明,G aN 和InN 无论是纤锌矿结构还是闪锌矿结构都是直接带隙,而AlN 只在纤锌矿结构时才是直接带隙,闪锌矿结构AlN 是间接带隙[1].镓氮基材料具有很强的热电和压电效应.G aN(c 轴)热电系数估计达7×105V Πm ・K,G aN 的压电常数是G aAs 的4—5倍.用Ⅲ-N 材料可以制做从红光到紫外光的发光管或激光器,实现红、绿、蓝可见光三基色发光.发光管可做全色显示屏和指示器,高效节能的交通信号灯和可调色照明灯.紫外发光管还可以有许多其他应用,例如,做假钞识别机、可以用它激发磷来做白光照明灯等.短波长蓝光或紫光激光管在激光印刷、信息存储等方面发挥重要作用.短波意味着光可以聚焦更锐小,可以增加光盘的存储密度.使用AlG aAs 激光器(波长780nm )的C D 盘容量为650兆字节,基于AlG aInP 半导体激光器(波长650或635nm )的DVD 光盘具有大约417千兆字节的数据容量,当使用进入蓝-紫光波段的Ⅲ-V 氮化物基激光器时容量可达15千兆字节.Ⅲ-N 材料还特别适合制作紫外探测器.当在强可见光和红外辐射背景中探测紫外信号时,要尽量避免或减少紫外信号以外的背景信号干扰.如果使用硅(Si )等通常材料的探测器时,需要加滤光片,这样做会减少探测器灵敏度.而氮化物,特别是AlG aN ,可以做成日光盲紫外探测器,其截止波长从200nm 到365nm.在这个范围的探测器可用于火焰探测、燃烧诊断、光谱学和紫外监视.AlG aN 探测器还有重要的军事用途,用于导弹制导和导弹预警防御系统.在地面与臭氧层之间工作的265—280nm 波长范围探测器可以减少太阳辐射的干扰,因为这个波段的太阳辐射被臭氧层吸收.氮化镓基材料的另一重要影响是在非光电子应用方面.首先氮化镓基材料也是一种非常好的电子器件材料.它们比G aAs ,Si 等材料禁带宽、击穿电压高、电子饱和速度较高[室温值为(217—5)×107cm Πs]、在两种氮化物相接触的界面处形成二维电子气面密度也特别高(～1013cm -2).另外Ⅲ2N 材料有很强的键能,具有高的热与化学稳定性.G aN 的热导率也较高,差不多是G aAs 的3倍.G aN 的本征点缺陷形成能很大,二次缺陷难以产生,这对高温、大功率器件来说也是非常有利的.表1列出了包括G aN 的几种材料在内的优值[3].其中K eye 优值表明表1 材料优值比较S iG aAs β2S iCG aN 金刚石K eye ’s 138063090301180044400(W cm -1s-1℃)Johns on ’s 910621525331567073856(1023W Ωs 2)Baliga ’s 115174142416101(相对S i 而言)材料适合于集成电路的程度,Johns on 优值用以衡量高功率器件,Baliga 优值是做功率开关的指标.G aN 各项优值仅次于金刚石薄膜,远大于硅、砷化镓等常用半导体材料,也大于颇具竞争力的碳化硅材料.金刚石薄膜由于难以掺杂,其研究和应用都还没有突破性的进展.具体说来,我们可以指望用G aN 基材料制作如下一些电子器件:111 高温、大功率及恶劣环境下工作的电子器件高温器件一般是指能工作在Ε300℃环境温度下的器件.它有如下应用场合:核反应设备、航天航空、石油勘探、汽车引擎、电机等.高温器件对减轻设备重量或使设备小型化也非常有利,因为它们可以不用或少用制冷和散热装置.在大功率器件领域里,固态电子器件主要占据了100H z 到100G H z 的频段.在低频段里,大功率器件应用于功率传输系统和马达控制;在高频段里,则被应用于军用或民用微波传输.112 高速及微波器件G aN 体材料的电子迁移率并不高,但它适合制作高速及微波器件.这是因为:(1)两种或两种以上氮化镓基材料长在一起可以形成所谓异质结.有人估计G aN-AlN异质结两边自由电子能量差可大于1eV.这样的异质结有两个用途,其一是可当异质结双极晶体管(H BT)的发射极(用AlG aN作发射极, G aN作基极),形成从AlG aN到G aN的热电子注入.对于一般的微波器件,基区非常短,注入的电子如果形成弹道电子发射(即在传输过程中不损失能量),则电子将高速渡越基区.这样的H BT将有很高的截止频率fT.在G aNΠSiC异质结双极晶体管中,G aN在高温晶体管中作为异质结发射极使用,SiC作基极和收集极.这种结构既可利用G aNΠSiC异质结提高电子发射率,又可利用SiC优良的高热导系数来散热.一个器件能够在高温下工作也适合大功率条件下工作.功率器件的一般限制是来自各种内耗产生的热.Si功率晶体管要加散热片、水冷或温差电冷却等.G aNΠSiC异质结晶体管(H BT)可以工作在高温而无须冷却,因此这种新H BT是高功率应用的好候选者;氮化镓基异质结的第二个用途是用来实现二维电子气.这里的二维电子气是指那些聚集在异质结界面处的薄层电子.AlG aNΠG aN二维电子气的迁移率比G aN单层的电子迁移率高得多.由于AlG aN和G aN之间的电子势能差较大,因而可以形成较高密度的二维电子气,有利于提高诸如场效应晶体管这类器件的性能.(2)当场效应晶体管的栅长缩短到亚微米级时将形成所谓的短沟器件,短沟中的电场非常大,沟道电子一般以饱和漂移速度从源极漂移到漏极.G aN的电子饱和漂移速度很大(217×107cmΠs),因此适合制作高速、微波器件.另外,G aN 的介电常数比Si,G aAs等常用材料都小,这将导致更小的器件寄生电容,从而使得它更适合于制作高速、微波器件.113 电荷耦合器件(CCD)及动态随机存取器(DRAM)由于G aN的禁带宽,其热激发漏电流是常规半导体材料的10-10—10-14,具有制作非挥发随机存储器(NVRAM)的潜能.这就意味着数据可以百年不必刷新.经过适当设计,这些存储器在断电情况下也能保留数据.114 其他电子器件AlN表面具有负电子亲和势,因而可能有负电子亲和势器件的应用.如做单色冷阴极,改善电子显微镜的分辨率和许多真空电子器件的性能.主要的困难在于降低AlN的串联电阻或者说是在于它的n 型掺杂.AlN材料因其具有较强压电效应和非常高的表面波速度,故还可做表面声波器件.如同多数宽禁带半导体一样,Ⅲ-V氮化物预计具有比G aAs和Si优异的抗辐照性能,因而更适合于空间应用;Ⅲ-N材料体系可以形成多种如G aNΠAlG aN,InG aNΠG aN量子阱超晶格(不同材料周期交替地长在一起的结构材料)、双异质结等异质结构,这有利于改善器件质量和进行新器件设计.G aN,AlN和InN的键能较高,分别为8192eVΠ原子、11152eVΠ原子和7172eVΠ原子,很难用半导体现有的湿法工艺刻蚀.至今基本上所有的氮化镓基器件图形都是用干法工艺(如Cl2基反应离子刻蚀)实现的.2 氮化镓基材料的制备G aN的研究始于20世纪30年代.Johns on等人首次得到了G aN材料.他们采用金属镓和氨气反应,得到了G aN小晶粒和粉末.1969年,Maruska和T ietjen利用气相外延方法在蓝宝石上生长了大面积G aN膜,并测得室温下G aN的带隙宽度.现在流行的金属有机物气相外延G aN的工作始于1971年,而分子束外延G aN工作则始于1975年.在80年代中期以前,用各种方法生长的G aN材料质量都不令人满意.里程碑的工作是由Akasaki小组奠基的,1986年该小组Amano等人首次发现采用低温生长的AlN 缓冲层,可大大提高G aN外延膜的质量.继而在1991年Nakamura等人发现采用低温生长的G aN缓冲层也具有同样的功效.低温缓冲层的作用在于,它解决了大失配外延体系中外延层与衬底互不浸润的问题,为高温下的外延生长提供了成核中心.另外,低温缓冲层也是应力释放中心.如今,采用低温缓冲层的两步生长工艺几乎成了G aN外延的标准工艺. p型掺杂是另一个长期困扰G aN器件应用的问题. Amano等人无意间发现掺Mg半绝缘G aN经过电子束照射后的G aN发光增强.他们对于该现象进一步研究,发现Mg受主被低能电子束激活.这一发现的意义与使用低温缓冲层的意义同样重大.很快,Na2 kamura等人发现700—800℃左右在氮气中热退火也可以活化受主Mg,并阐明了在原生掺Mg的G aN 中,Mg受主是被H原子所钝化,低能电子束辐照或中温退火可破坏Mg-H络合体,激活受主,实现高浓度p型掺杂.至此,通往G aN器件应用的道路基本已被疏通.目前,金属有机物气相外延和分子束外延是外延氮化镓基材料的主要方法.211 金属有机物气相外延(MOVPE)MOVPE(有时也称为MOC VD)的外延过程是以物质从气相向固相转移为主的过程.含外延膜成分的气体被气相输运到加热的衬底或外延表面上,通过气体分子热分解、扩散以及在衬底或外延表面上的化学反应,构成外延膜的原子沉积在衬底或外延面上,并按一定晶体结构排列形成外延膜.含ⅢA族元素的气体是金属有机物的蒸汽,这些蒸汽通常是用高纯氢气或氮气携带到衬底附近.这些金属有机物现在通常使用三甲基镓(T MG)或三乙基镓(TEG)、三甲基铝(T MA)以及三甲基铟(T MI).而含氮的气体通常使用氨气(NH3).n型和p型掺杂剂则分别使用氢化物(SiH4或Si2H6)和金属有机物(C p2Mg或DEZn).外延氮化镓(G aN)时,在衬底和外延面上的化学反应如下:G a(CH3)3(v)+NH3(v)→G aN(s)+3CH4(v)其中v表示气相,s表示固相.MOVPE G aN最好的材料参数是Nakamura于1992年报道的,室温下本底电子浓度为4×1016cm-3,迁移率达900cm2ΠV・s.212 分子束外延(MBE)M BE技术是真空外延技术.在真空中,构成外延膜的一种或多种原子,以原子束或分子束形式像流星雨般地落到衬底或外延面上,其中的一部分经过物理-化学过程,在该面上按一定结构有序排列,形成晶体薄膜.镓、铝或铟分子束是通过在真空中加热和蒸发这些ⅢA族元素形成的.而V族氮分子束则有不同的形成方式.直接采用氨气作氮源的分子束外延,被称为G S M BE或RM BE(气源分子束外延);采用N2等离子体作氮源的,有RF-M BE(射频等离子体辅助分子束外延)和ECR-M BE(电子回旋共振等离子体辅助分子束外延)两种.用M BE技术外延的最好的G aN材料参数如下:室温电子迁移率:560cm2ΠV・s(在c面蓝宝石上外延),580cm2ΠV・s (在6H-SiC上外延).MOVPE技术与M BE技术相比较,MOVPE外延的氮化镓基光电子器件材料方面具有明显的优势;在外延的微电子器件材料性能,特别是高电子迁移率晶体管性能方面两者相差不多. M BE技术的特点是:生长反应过程简单;可以实时表征或监控生长表面的结构、成分以及生长条件;生长温度较低;没有气相外延中与气流有关的材料不均匀性问题.需要指出的是另外两个重要的适合M BE生长的材料:其一是立方G aN(β-G aN).在G aAs(001)上外延的立方G aN可以解理,有利于制作激光器.M BE 的生长温度比MOVPE和氢化物气相外延(H VPE)都低得多,这有利于亚稳态立方相的生长.第二个是(In)G aAsN材料,它近年来受到越来越多的关注.理论上预计该种材料的禁带宽度可以包括从零到相关二元材料(如G aAs)禁带宽度之间的所有禁带能量[4].适当调整(In)G aAsN材料组分,可以使该材料的晶格常数和带隙同时满足设计要求.例如,可以使用在G aAs衬底上外延晶格匹配的G aInNAs材料,并能用它做113μm波长的激光器.由于在热平衡条件下氮在G aAs中或砷在G aN中的几乎不互溶.因此,这种材料多数是用远离热平衡的M BE技术做的,其氮的掺入量达15%也没有出现相分离.用等离子体辅助M BE已经获得113μm室温连续波工作的激光器,它使用了赝晶G aInNAs量子阱,其In组分为30%,氮含量为1%.已有这些激光器具有低阈值电流密度和高特征温度T0的报道[5].213 氢化物气相外延(HVPE)除了上述两项重要外延技术之外,H VPE目前也很流行.该技术的命名源于20世纪60年代末气相外延技术的发展过程.现在如果把它和MOVPE技术比较,称为卤化物气相外延(halide VPE)倒更贴切些.该外延技术是早期研究Ⅲ-V氮化物用的最成功的外延技术,是Maruska和T ietjen首先用来外延大面积G aN膜的一种方法.该方法是在金属G a上流过HCl,形成G aCl蒸气,当它流到下游,在衬底或外延面上与NH3反应,淀积形成G aN.该方法的生长速率相当高(可达100μmΠh),可生长很厚的膜,从而减少来自衬底的热失配和晶格失配对材料性质的影响.Maruska等随后表明可以在HCl气流中同时蒸发掺杂剂Zn或Mg实现p型杂质掺杂.该项外延技术目前主要有两项应用:其一用来制作氮化镓基材料和同质外延用的衬底材料,例如用H VPE技术在100μm厚的SiC衬底外延200μm厚的G aN,然后用反应离子刻蚀技术除去SiC衬底,形成自由状态的G aN衬底;另一项应用是做所谓E LOG(epitaxially laterally overgrown G aN)衬底.这种衬底的一个典型做法是用MOVPE技术在c面蓝宝石上外延一层2μm的G aN,再在上面沉积一层非晶SiO2,然后刻出一排沿〈1100〉方向的长条窗口,在上面用H VPE技术外延一层相当厚(几十微米)的G aN,窗口区G aN成为子晶,在非晶SiO2上不发生外延,但当外延G aN的厚度足够厚时,窗口区G aN的横向外延将覆盖SiO2.在SiO2掩膜区上方的G aN的位错密度可以降低几个数量级.国际上长寿命G aN基激光器就是用这种衬底制作的[6].与此横向蔓延G aN(E LOG)相似并有同样减少位错密度的功效的衬底还有所谓悬挂外延G aN(pendeo2epitaxy G aN,PE-G aN).后者也是利用G aN的横向外延减少位错,只是不使用二氧化硅掩膜,取而代之的是分开G aN条的深槽.214 G a N体材料的合成也得到了关注波兰科学家在高温(1600℃)高压(15—20kbar)下采用金属镓与氮气直接合成了G aN体材料.采用热氨和金属镓合成G aN颇有前景.这一技术的关键是添加了某类矿化剂如LiNH2或K NH2,在适合的比例下镓可溶解于热氨和矿化剂的溶液,因此可采用温度梯度法液相外延G aN.目前G aN体材料尺寸仅有十几毫米.215 衬底材料阻碍G aN研究的主要困难之一是缺乏晶格及热胀系数匹配的衬底材料.蓝宝石是氮化镓基材料外延中普遍采用的一种衬底材料,因为其价格便宜、耐热、透明、可大面积获得,并具有与G aN相似的晶体结构.一般都选用c面-(0001)作为衬底.此外,Ⅲ-V氮化物在如下衬底上也长过:Si,G aAs,NaCl, G aP,InP,SiC,W,ZnO,MgAl2O4,T iO2和MgO.G aN外延层的晶体结构受衬底及其取向的强烈影响[1,2].3 氮化镓基器件如前所述,氮化镓基器件应用主要有两大类:电子器件和光电子器件.311 电子器件主要介绍用氮化镓基材料制作的异质结双极晶体管(H BT)和异质结场效应晶体管(HFET)H BT:Pankove等人在1994年报道了第一个G aNΠ6H-SiC H BT[7].理论计算表明,G aNΠ6H-SiC 价带偏移约为012—0125eV,实验测试达0138eV.无论怎样,这么大的价带偏移对H BT都非常有利(提高注入比).另外,SiC可以进行高浓度的p型掺杂(降低基区电阻)又是间接带隙材料(减少基区辐射复合),因此,可望G aNΠ6H-SiC H BT有好的器件性能.实际上,在VC B=2V,I E=100mA下,获得的电流增益达105.该器件工作温度可达535℃.AlG aNΠG aN npn H BT也已做出.做全氮化物npn H BT的困难在于p型基区电阻及其接触电阻太高.HFET:它有时也称调制掺杂FET(MODFET)或高电子迁移率晶体管(HE MT).目前,在蓝宝石上外延的AlG aNΠG aN的二维电子气(2DEG)材料的室温电子迁移率已达1500cm2ΠV・s,在碳化硅衬底上外延的这种结构的室温电子迁移率达2000cm2ΠV・s.二维电子气的面密度在1×1013cm-2左右.由于AlG aN材料具有较大的压电效应,即使AlG aN层是非有意掺杂,在AlG aN与G aN界面也可能因极化引起高浓度的2DEG.利用外延的G aNΠAlG aN异质结材料制备的HFET晶体管具有突出的DC和RF特性:最大源漏电流密度1143AΠmm;击穿电压分别为340V(栅漏间)和100V(源漏间,栅长1μm);室温跨导270mSΠmm;截止频率50G H z[8];最高振荡频率97G H z[8];输出功率密度911WΠmm(8G H z)[9];输出功率918W(812G H z,2mm栅宽)[9];G aNΠAlG aN HE MT的工作温度高达750℃[10].312 光电器件主要介绍氮化镓基材料做的发光管(LE D)、激光器(LD)以及光电探测器.31211 发光管(LE D)第一个基于G aN的LE D是20世纪70年代由Pankove等人研制的,其结构为金属-半导体接触型器件.在提高了G aN外延层质量和获得了高浓度p 型G aN之后,Amano等首先实现了G aN pn结蓝色发光管.其后Nakamura等在进一步提高材料质量,特别是大大提高了p型G aN的空穴浓度后,报告了性能更佳的G aN pn结蓝色发光管,其外量子效率达0118%,至少是当时商业SiC LE D的6倍.1994年, Nakamura开发出第一个蓝色InG aNΠAlG aN双异质结(DH)LE D.1995年及其后两三年,Nakamura等人又实现了蓝色、绿色、琥珀色、紫色以及紫外光InG aN 量子阱LE D[11,12],把蓝绿光氮化镓基发光管的发光效率提高到10%左右,亮度超过10个烛光,寿命超过105h.这些LE D的电荧光谱是在室温、20mA直流偏置电流条件下测量的.对于发射峰值波长分别为370nm、450nm和520nm的紫外、蓝色和绿色InG aN S QW LE D,典型外量子效率分别是715%(紫外光)、1112%(蓝光),1116%(绿光).发射最短波长的LE D 是用AlG aN作有源区的LE D,其发射波长为350nm.亮度超过10烛光的高亮度蓝光、绿光、黄光(600nm)发光管早已商品化.蓝色和绿色LE D的发光效率分别为5lmΠW和30lmΠW.与之相对照,红色AlInG aP LE D的发光效率为20—30lmΠW.常规的白炽灯的发光效率约为20lmΠW.组合蓝色、绿色和红色LE D,可以制备发光效率为30lmΠW的白光LE D,它差不多与常规的白炽灯的发光效率相同.这种LE D的寿命长过105h,这比灯泡寿命长得多.因此用氮化物的蓝色和绿色LE D以及AlG aInP基红色LE D取代常规白炽灯泡能节省能量和资源.有人计算一个轿车约需1000个发光管用于照明和指示灯.实际上已有用蓝色、绿色InG aN S QW发光管和G aAlAs或AlG aInP红色发光管做成的户外大屏幕彩色显示屏和用InG aN单量子阱绿色发光管做成的交通信号灯.据说一大公司不再做大的阴极射线管而改用发光管系统.31212 激光二极管(LD)第一个氮化镓基材料激光二极管是1995年12月研制成的电脉冲G aN-InG aN多量子阱(MQW)激光二极管(LD).发光区是由215nm厚的In012G a018N层和5nm厚的G a0105In0185N层交替重叠26次而成.类似结构就是所谓多量子阱(MQW)结构.G aN和Al0115G a0185N分别作为波导层和夹层.电脉冲的占空比是011%.阈值电流密度为410kAΠcm2.在阈值时的电压高达34V,这主要是p型电极的高阻所致.该发光管发射波长是417nm.该激光器的谐振腔镜面是用反应离子刻蚀形成的,因为难以解理蓝宝石衬底.刻蚀的镜面比较粗糙(约为500A).一年后,第一个氮化镓基电注入室温连续波(CW)激射器又由Nakamura等使用脊形波导结构成功地实现了.这个CW-LD的寿命很短,随后很快加长了.仅用一年时间,到1997年底时,Nakamura等报道了寿命估计达10,000h的激光器[6].发射390—430nm波长的相干光,蓝光激光器的阈值电压为4—5V.该激光器长在E LOG衬底上.做在SiO2掩膜区没有位错的G aN上的LD的阈值电流为48mA,相当于电流密度217kAΠcm2.而做在有高密度T D的窗口区,它的阈值电流密度是415—9kAcm-2,比做在SiO2掩膜区上的高得多.该LD的夹层使用调制掺杂超晶格结构(MS-S LS),MS-S LS结构是由215nm非掺杂的Al0114G a0186N层和215nm厚n型或p型G aN层交替重叠120次而成.使用这样的结构的目的是为了避免使用厚的AlG aN夹层,因为厚的AlG aN外延层会发生龟裂.其中G aN层的导电类型与MS-S LS所替代的夹层导电类型一致.所有这些发光器件有源区都使用InG aN而不是用G aN,这是因为使用G aN做有源区难以实现高效发光器件.在有源区含少量In 的UV LE D(发射波长370nm)的输出功率比那些有源区不含In的LE D(发射波长367nm)的输出功率高约十倍.因此高功率的LE D使用InG aN而不是使用G aN做有源区.这些LE D和LD有源区含有大量穿透位错(T D),从1×108cm-2到1×1012cm-2.这些位错来自于G aN和蓝宝石衬底之间的界面,是由大到16%的晶格失配造成的.尽管有这么多的位错,In2 G aN基LE D和LD的发光效率却比通常的Ⅲ-V化合物(AlG aAs,AlG aInP)高得多.实验结果表明,发光几乎不受T D多少的影响.T D只是被认为是减少了发光区的体积.似乎InG aN层的In组分起伏或相分离对InG aN基LE D或LD的发光起关键作用.在In2 G aN膜生长过程中,由于InG aN的相分离造成局域能态[13].当电子和空穴被注入到该LE D的InG aN阱中时,在它们被大量穿透位错(T D)引发的非辐射复合中心俘获之前,被局限在这些局域能态中.这些局域态等效于受三维空间限制的所谓量子点.如果InG aN层中由InG aN相分离造成的势能起伏确定的载流子的扩散长度小于缺陷间隔,那么器件的发光效率就不受T D的影响[14].31213 探测器氮化镓基UV探测器有单层光电导型和光伏型器件.光导型探测器比较简单,只使用一个单层外延材料.光伏型探测器工作无须偏压(低功耗),阻抗高,暗电流低,响应快.光导探测器是由表面带有指状电极的一个未掺杂或轻掺杂的外延层构成.在半导体中的光吸收产生电子空穴对,电子空穴被偏压电场扫出来,形成正比于光子流量的电流.氮化镓基光伏器件比光导型探测器响应快得多,可用G aN或AlG aN材料的肖特基结或p-n结形成.在过去几年中,G aN基UV探测器有了很大的进展[20].UV探测器的需求主要来自导弹探测和跟踪系统上的应用.为此,研究指向截止波长较短(280nm)的探测器,并且从研制单个元件到研制二维聚焦平面.向短波移动将要求高Al组分AlG aN的p型掺杂.由于导弹跟踪的低信号的要求,必须发展雪崩二极管(APD)以产生大的增益.关键是减少漏电流(特别是在高电压时).探测器结果显示,主要的影响因素是G aN外延层中很高的位错密度.发展晶格比较匹配的衬底可能会明显改善探测器性能.。
宽禁带半导体材料
氧化锌是一种直接带隙半导体材料，具有高激子束缚能和宽带隙等优点，在 透明电子器件、紫外光电器件和压电器件等领域有着广泛的应用前景。
其他宽禁带半导体材料
总结词
除了氮化镓、碳化硅和氧化锌外，还有一 些其他宽禁带半导体材料，如氮化铝 (AlN)、碳化钛(TiC)等。
VS
详细描述
这些材料也具有各自的优点和应用前景， 如氮化铝具有高热导率和化学稳定性等优 点，在高温电子器件和光电器件等领域有 着广泛的应用；碳化钛具有高硬度、高化 学稳定性和宽带隙等优点，在高温和抗辐 射电子器件等领域有着广泛的应用。
航空航天
宽禁带半导体材料在航空航天领域的应用也越来 越多，如航空电子、宇航电子等，可用于航空航 天器的控制系统和导航系统等领域。
02
宽禁带半导体材料的基本类 型
氮化镓(GaN)
总结词
氮化镓是一种具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子速度和高化学稳定性等优 点的宽禁带半导体材料。
详细描述
氮化镓是一种直接带隙半导体材料，具有高热导率和高电子迁移率等优点，在电 力电子器件、光电器件和微波器件等领域有着广泛的应用前景。
碳化硅(SiC)
总结词
碳化硅是一种具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子速度等优点的宽禁带半导体材料。
详细描述
碳化硅是一种间接带隙半导体材料，具有高热导率和高温稳定性等优点，在电力电子器件、光电器件和高温电 子器件等领域有着广泛的应用前景。
氧化锌(ZnO)
总结词
氧化锌是一种具有高激子束缚能、高电子迁移率、高透明度等优点的宽禁带 半导体材料。
宽禁带半导体材料
xx年xx月xx日
contents
目录
• 宽禁带半导体材料概述 • 宽禁带半导体材料的基本类型 • 宽禁带半导体材料制备工艺 • 宽禁带半导体材料的应用前景 • 宽禁带半导体材料的研究挑战与展望
《宽禁带半导体发光材料》6其他宽禁带半导体发光材料
ZnSe CdS ZnS ZnO GaN AlN
ZB ZB ZB WZ WZ WZ
注：室温热能26meV
• 激子:由库仑作用结合在一起的电子-空穴对 • 激子束缚能：用于描述激子稳定存在的参数
• 室温激子束缚能：ZnSe: 17meV; ZnO: 59meV; GaN: 25meV • ZnMgO/ZnO/ZnMgO量子阱中ZnO激子束缚能：>100meV
短波发光材料及器件研究热点(1980-2000)
• International conference on II-VI compounds and related optoelectronic materials
•II-VI族化合物及相关光电器件国 际会议，1982年开始，2年举办一 次，20多个国家，250多人参加 •主要关注热点： ZnSe 基短波材料 及器件
22
ZnSe
离子键比 例增加
II-VI 立方闪锌矿结构 (ZnSe, ZnS, CdS)
II-VI 六方纤锌矿结构 (GaN, ZnO)
布里渊区伽马Γ点附近的闪锌矿结 构的能带结构
自洽模型计算
CBM和VBM位于布里渊区伽马Γ点，直接带隙 ZnSe室温 Eg=2.7eV（λ≈460nm)
II-VI和III-V族半导体的晶格常数和禁带宽度之间关系图 ZnSe与GaAs之间晶格失配0.26％ 在III-V族衬底上外延II-VI化合物
碳材料系列
• 碳材料：从0维到3维，0D, 1D, 2D, 3D • 富勒烯：1996年诺贝尔化学奖 • 石墨烯：2010年诺贝尔物理学奖
11
金刚石和常见半导体材料基本性能比较
• 热导率：24 W/cm.K （Cu：4.01 W/cm.K） • 空穴迁移率：3800cm2/V.s（Si: 480cm2/V.s） • 击穿电场：10MV/cm（Si: 0.3MV/cm）
氮化物宽禁带半导体材料与电子器件
目录分析
《氮化物宽禁带半导体材料与电子器件》这本书的目录结构清晰、内容丰富， 从基础理论到实际应用，从现有技术到未来趋势，全面展示了氮化物宽禁带半导 体材料与电子器件领域的各个方面。通过阅读本书，读者可以深入了解该领域的 基本知识、研究现状及未来发展方向，为从事相关研究或应用提供有益的参考和 启示。
阅读感受
阅读感受
在我阅读《氮化物宽禁带半导体材料与电子器件》这本书的过程中，我深深 地被书中的内容所吸引。这本书不仅在学术上具有很高的价值，同时也对于我们 理解半导体材料和电子器件的发展趋势有着重要的意义。
阅读感受
这本书的主题是关于氮化物宽禁带半导体材料和电子器件，这是一个在当前 科技领域中备受的话题。随着科技的不断发展，半导体材料和电子器件的重要性 日益凸显，而氮化物宽禁带半导体材料作为一种新型的材料，具有许多优秀的特 性，如高耐压、高频率、高功率等，这些特性使得它在电力电子、光电子、高功 率电子等领域中具有广泛的应用前景。
内容摘要
这包括LED、激光器、太阳能电池、电子开关等器件的工作原理和实际应用。通过这些内容，读 者可以深入了解氮化物宽禁带半导体在各种电子器件中的应用和优势。 本书介绍了氮化物宽禁带半导体的最新研究进展。这包括最新的制备技术、新应用的探索以及未 来发展的趋势等。这些内容可以让读者了解到氮化物宽禁带半导体的最新科研动态，对于从事相 关研究的读者来说非常有价值。 《氮化物宽禁带半导体材料与电子器件》这本书是一本全面介绍氮化物宽禁带半导体材料与电子 器件的书籍，无论是对于初学者还是对于从事相关研究工作的读者来说，都有很高的参考价值。
目录分析
第九章：氮化物宽禁带半导体材料的安全性与可靠性。本章对氮化物宽禁带 半导体材料的安全性与可靠性进行了全面分析，包括材料的稳定性、耐久性以及 潜在的安全风险等方面，以确保其在实际应用中的可靠性。
氮化物宽禁带半导体材料和器件
氮化物宽禁带半导体材料和器件
氮化物是一类宽禁带半导体材料，由氮元素和其他金属元素如镓、铝、硅等元素组成。
氮化物材料具有优异的热、光、电特性，比传统的硅材料具有更高的电子迁移率和较大的能隙（禁带宽度），因此被广泛用于半导体器件的制作。
氮化物宽禁带半导体材料的最重要的应用领域是照明领域，尤其是蓝光LED。
传统的照明技术，如白炽灯和荧光灯，通常
需要较高的能量消耗。
而氮化物宽禁带半导体材料制成的蓝光LED具有高效率、长寿命和节能的特点，被广泛应用于照明、显示器和光通信等领域。
此外，氮化物宽禁带半导体材料还可以用于制作高功率和高频率的电子器件，如功率器件和射频器件。
氮化物材料具有高电场饱和速度和热稳定性，可以承受高电压和高功率操作，因此适用于电力电子和通信应用。
总而言之，氮化物宽禁带半导体材料和器件具有广泛的应用前景，尤其在照明、电力电子和通信领域。
随着技术的不断发展和突破，氮化物材料可能在更多领域展示出其优越的性能和潜力。
氮化物半导体器件的材料特性研究
氮化物半导体器件的材料特性研究
随着现代电子技术的发展，半导体器件成为了现代电子技术的重要组成部分。
氮化物半导体器件作为一种新兴的半导体材料，因其出色的电学、光学和力学性质，正逐渐成为研究的热点。
氮化物半导体器件是一种由氮化镓衬底、氮化镓和其他元素的复合材料组成的半导体器件。
近年来，氮化物半导体器件的研究取得了重大突破，在电子器件、光电器件、射频器件、功率器件等领域都被广泛应用。
那么，我们应该如何研究氮化物半导体器件的材料特性呢？
首先，我们可以从氮化物半导体器件的制备下手。
氮化物半导体器件的制备主要分为两个阶段，第一阶段是衬底和外延层的生长，第二阶段是晶体生长和器件制备。
其中第一阶段决定了氮化物半导体器件的质量和性能。
因此，在研究氮化物半导体器件的材料特性时，我们可以关注衬底和外延层的生长。
其次，我们可以通过表征手段研究氮化物半导体器件的材料特性。
目前，常用的表征手段主要有X射线衍射、扫描电镜、原子力显微镜、透射电子显微镜、拉曼光谱等。
这些表征手段能对氮化物半导体器件的物理性质、结构性质和光学性质等方面进行分析和评估。
最后，我们可以通过模拟方法研究氮化物半导体器件的材料特性。
模拟方法是一种先进的研究手段，可以帮助我们更全面的认识氮化物半导体器件的材料特性。
目前，常用的模拟方法主要有从头算、密度泛函理论、分子力学模型等。
总之，研究氮化物半导体器件的材料特性是一个非常综合的工作。
我们需要结合制备手段、表征手段和模拟方法，全面认识氮化物半导体器件的材料特性。
只有这样，我们才能更好的实现氮化物半导体器件的优化和应用。
宽禁带半导体材料与器件
宽禁带半导体材料与器件引言：宽禁带半导体材料与器件在现代电子技术中起着重要的作用。
宽禁带材料具有比较大的能隙，能够在高温下工作，具有较高的电压承受能力以及较低的漏电流等特点。
宽禁带材料的研究与应用为各种电子器件的发展提供了新的可能性。
本文将介绍宽禁带半导体材料的特点、分类以及常见的宽禁带半导体器件。
一、宽禁带半导体材料的特点宽禁带半导体材料是指带隙能量较大的半导体材料，其能隙一般大于2电子伏特。
相比之下，传统的半导体材料如硅、锗等的能隙要小得多。
宽禁带材料的特点主要包括以下几个方面：1. 高温工作能力：宽禁带材料具有较高的熔点和热稳定性，能够在高温环境下正常工作，适用于高温电子器件的制备。
2. 高电压承受能力：宽禁带材料的导电性能较差，具有较高的击穿电压，能够承受较高的电压。
3. 低漏电流：由于宽禁带材料的能隙较大，其导电性能较差，漏电流较小，适用于对漏电流要求较高的器件制备。
4. 较高的载流子迁移率：宽禁带材料的载流子迁移率较高，能够实现高速电子器件的制备。
二、宽禁带半导体材料的分类根据材料的不同，宽禁带半导体材料可以分为以下几类：1. 碳化物材料：碳化硅（SiC）是一种常见的宽禁带半导体材料，具有较高的热导率和耐高温性能，适用于高温功率器件的制备。
2. 氮化物材料：氮化镓（GaN）和氮化铝镓（AlGaN）是常见的氮化物宽禁带半导体材料，具有较高的载流子迁移率和较低的漏电流，适用于高频电子器件的制备。
3. 磷化物材料：磷化镓（GaP）和磷化铝镓（AlGaP）是常见的磷化物宽禁带半导体材料，具有较高的光电转换效率，适用于光电器件的制备。
三、宽禁带半导体器件1. 宽禁带二极管：宽禁带二极管是利用宽禁带半导体材料制备的二极管。
由于宽禁带材料的能隙较大，宽禁带二极管具有较高的击穿电压和较低的漏电流，适用于高压、高温环境下的电子器件。
2. 宽禁带场效应晶体管：宽禁带场效应晶体管（HEMT）是利用宽禁带半导体材料制备的场效应晶体管。
氮化物宽禁带半导体—第三代半导体技术
氮化物宽禁带半导体一第三代半导体技术张国义１，李树明２北掌大学韵曩最，卜蘑■一目毫重点宴■宣‘２北大董光科技酣青曩公司北囊１∞耵１ｉ盲謦。
莳耍曰曩了量化精半导体曲主要持征和应用■量．巨督圈辱上和重内的主曩研兜理状．市场分析与攮测．由此－ｕ蚪再｝１１．氯化韵帕研究已妊成为高科技鬣壤田际竟争的■膏点之一．ｔ为第三代半■体拄术，育形成蠢科技臣夫产＿ｔ群的ｒ口艟性．也存在着蠢积的竞争和蕞｛；‘翻舶风龄．众所周知，以Ｇｅ，Ｓｉ为基础的半导体技术，奠定丁二十世纪电子工业的基础．其主要产品形式是以大规模集成电路为主要技术的计算机等电子产品．形成了巨大的徽电子产业群。
其技术水平标志是大的晶片尺寸和窄的线条宽度．如１２英寸／０．１５微米技术．是成功的标志，被称之为第一代半导体技术．以Ｇ“ｓ．ＩｎＰ．包括Ｇ吐ｌ＾ｓ，ＩｆＩＧａＡｓＰ，ＩｎＧａＡｌＰ瞢ＩＩＩ—ｖ族砷化物和碑化韵半导体技术，奠定了二十世纪光电子产业的基础，其主要产品形式是以光发射器件，如半导体发光二极管（Ｌ肋）和激光嚣（ＬＤ）等．为基础的光显示．光通讯，光存储等光电子系统，形成了巨大的信息光电产业群。
其技术水平标志是使通讯速度，信息容量，存储密度大幅度提高，被称之为第二代半导体技术．对徽电子和光电子领域来说，二十世纪存在的问矗和二十一世纪发晨趋势是人们关心的问题．高速仍然是微电子的追求目标，高温大功率还是没有很好解决的问题；光电子的主要发展趋势是全光谱的发光器件，特别是短波长（绿光．蓝光．咀至紫外波段）ＬＥＤ和ＬＤ．光电集成（０ＥＩｃ）是人们长期追求的目标，由于光电材料的不兼容性，还没有很好的实现。
事实上．这些问题是第一代和第二代半导体材料本身性质决定，不可舱解决的问题。
它需要寻找一种高性能的宽禁带半导体材料．而这一工作二十世纪后半叶就已经开始．在世纪之交得以确认。
那就是第三代半导体技术一ＩＩＩ一族氮化物半导体技术．ＧａＮ、ＡｌＮ和ＩｎＮ以及由它们组成的三元合金是主要的ＩＩＩ族氰化物材料．所有氮化物晶体的稳定结构是具有六方对称性的纤锌矿结构，而在一些特定的条件下，例如在立方豸多。
《宽禁带半导体发光材料》3.3氮化物材料的发展2
国内外紫外LED研究状况
AlGaN材料的P型掺杂难题 下图所示为Mg在AlGaN材料中的激活能，随着Al组分增大而 增大
报告大纲
紫外LED应用前景与市场 国内外紫外LED研究状况 紫外LED核心材料外延紫外LED材料外延技术
AlGaN材料外延生长难点
紫外家庭卫生
紫外除螨
紫外医疗应用
光治疗 *长波长-UVA (320 ～ 400nm) *短波长-UVB (280～320nm)
NB-UVB
PUVA
紫外线辐照系统
紫外市场预期
2012年紫外LED市场总额约为4500万美元，约占整个紫外光源市场的12.7%；预期到2017年UV LED市场规 模可达2.7亿美元，超过整个紫外光源市场的1/3，未来五年内的复合年增长率可高达34%
UVA
波长 320-400nm
有很强的穿透力，可以
UVB
280-320nm
UVC
200-280nm
具有中等穿透力， 穿透能力弱，无 其波长较短部分 也会被玻璃吸收 法穿透大部分的 透明玻璃
穿透能力 穿透大部分透明的玻璃
及塑料 紫外光治疗、文件与印
应用
钞反伪检测器、光催化 剂、空气净化、医疗光 线疗法
GaN Sapphire
AlGaN材料效果不佳。
H. Amano et al., Appl. Phys. Lett. 48 (1986) 353.
紫外LED材料外延技术
AlGaN材料外延生长难点
与Ga相比, Al原子在生长表面的迁 移能力较差, 样品表面容易出现岛状 生长, 粗糙度较大, 采用常规“两步法” 在蓝宝石衬 底上外延的AlGaN材料随着Al组分提高 而晶体质量降低。
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纤锌矿氮化物结构参数
39
纤锌矿氮化物结构参数
40
三元/四元合金氮化物晶格常数
•纤锌矿结构GaN, AlN, InN三种化合物可以按照不同比例形 成固溶体，晶格结构不变，晶格参数按比例而不同： AlxInyGa1-x-yN（0<x+y<1）
18
红光/黄光/绿光发光材料
• AlGaAs materials system • 0.5-2.5eV • Red, yellow, green, infrared
• AlGaInP materials system • 1.4-2.5eV • Red, yellow, green, infrared 19
16
620nm, 2eV
diamond
17
不同材料LED对应的波长范围
620nm, 2eV
• • • • • •
红光及红外：InGaAlP, AlGaAs, GaAs, InP 橙色：AlGaAs, InGaAlP，（InGaN） 黄色：GaP，InGaAlP, InGaN 绿色：AlP，InGaN 蓝色：InGaN 紫色：InGaN
2.1.1概述 宽禁带半导体发光材料分类
III-V(direct):AlN,GaN, InN,AlGaN,InGaN,BN(间接) II-VI(direct): • ZnO(3.3eV),CdO(2.3eV), MgO(7.9eV),BeO(10.6eV), ZnCdO(2.3-3.3),ZnMgO(3.37.9),ZnBeO(3.3-10.6) • ZnS(3.77eV),CdS(2.5eV), ZnSe(2.7eV),CdSe(1.74eV), ZnTe(2.26eV),CdTe(1.45eV)
29
六方晶系的两种指数
30
常见晶体结构
简单立方
体心立方
面心立方
31
常见晶体结构
金刚石结构 元素半导体
闪锌矿结构 化合物
32
常见晶体结构
GaN,
ZnO
33
氯化钠型结构
纤锌矿型结构
不同晶体结构中共价键/离子键比例
• Pauling定义电离度： fi C 2 / E g2 2 2 Eg Eh C2
2 Levinshtein M.E., Rumyantsev S.L., Shur M.S.Properties of advanced semiconductor materials GaN, 27 AlN, InN, BN, SiC, SiGe, New York; John Wiley and Sons, Inc.,2001:1-30.
共价键
34
布里渊区
• 倒空间/倒格子：晶体X射线衍射、晶格振动、晶体电子理论 中，晶格结构用倒格子描述有利于分析问题简化 • 与正空间（对应的晶格成为正格子）X, Y. Z轴对应的倒空间 （对应的晶格成为倒格子）坐标轴是kx, ky, kz。倒格子是与 正空间相联系的傅里叶空间中的晶格 • 倒空间中，确定原点和 倒格子初基矢量后做所 有倒格矢量的垂直平分 面，这些平面所包围的 将原点包含在内的最小 区域就是第一布里渊区
Байду номын сангаас
氮化物半导体主要特点
• GaN, AlN, InN 及其三元/四元合 金体系，均为直接带隙，辐射复 合效率高，适用于发光材料及发 光器件 • 二元 / 三元 / 四元化合物之间形成 多层异质结构，如： MQWs 和 2DEG 等，进一步提高辐射复合效率， 以及提高电子迁移率 • 带隙范围覆盖整个可见光到远紫 外波段，特别是在短波长方面， 目前是唯一最佳选择 • 结构稳定，耐腐蚀，长寿命（与 ZnO ， ZnSe ， SiC 发光器件比较而 言）
Eg ：成键态与反成键态之
NaCl 结构 纤锌矿 闪锌矿，金刚石
纤锌矿
间的能量间隙
Eh：共价结合成分的贡献 C：离子结合成分的贡献
• NaCl型位于fi=0.785 分界线以上 • 高的离子键比例易于 形成纤锌矿结构 • 低的离子键比例易于 形成闪锌矿和金刚石 结构
离 子 键
闪锌矿
• 参考P36，参考书wide bandgap semiconductors
21
电学性质
• 高饱和电子漂移速度(比GaAs高1.5倍) • 高的击穿电场(比GaAs,InP高8倍) • 高热导率(比GaAs高3倍)
• •
很小的介电常数 适合于发展高温、高频、高功率电 子器件
22
异质结阶跃及二维电子气（2DEG）
• 带隙差别大(InN 0.7eVAlN 6.2eV),界面能带不 连续性强 • 能带带阶大，强离子性 化合物，电子亲和能差 别大，界面巨大的导带 及价带偏移 • 异质结构界面导带产生 强量子局域化深势阱,形 成二维电子气2DEG
纤锌矿和闪锌矿GaN
• 晶体结构形成：主要由晶体的离子性决定 • 化合物半导体晶体中，原子间化学键既有共价键成分，也 有离子键成分 • 离子键成分越多晶体离子性越强，越容易形成纤锌矿结构 ，典型代表是GaN,ZnO,ZnS,CdS • 纤锌矿GaN：六角密堆积结构，P63mc空间群，密排面（0001 ），每个晶胞有12个原子，包括6个Ga原子和6个N原子 • 立方闪锌矿 GaN ：立方密堆积结构， F-43m 空间群，原子密 排面（111），每个晶胞8个原子，包括4个N原子和4个Ga原 子
8
• • • • • •
红色：622-770nm 橙色：597-622nm 黄色：577-597nm 绿色：492-577nm 青色+蓝色：455-492nm 紫色：350-455nm
9
可见光波段位置
声音
移动通信 （800-2KMHZ） Wi-Fi （2.4GHZ/5GHZ）
光通讯
10
11 半导体材料对应的发光波长范围
3
半导体元素分布
4
半导体材料的发展
• 第一代半导体材料（ 40-50 年代）：以 Si 、 Ge 为代表。 1947 年，美国贝 尔实验室Bardeen和Brattain发明了Ge点接触晶体管，1948年Schockley 针对点接触晶体管不稳定特点，发明了面接触式晶体管，3人因此获得 了1956年诺贝尔物理学奖。1958年第一块锗集成电路研制成功，开辟了 半导体科学技术的新纪元，导致了电子工业革命。 • 第二代半导体材料（ 60-70 年代）：以 GaAs 为代表。尽管硅在微电子技 术应用方面取得巨大成功，但受制于带隙特点（间接，1.12eV，红外， ，可见光 1.6-2.8eV ），硅基发光器件进展十分缓慢。 20 世纪 60 年代发 展了液相外延及气相外延等方法，生长出高质量 GaAs 、 InP 等单晶，促 进了第二代半导体应用。人类进入光纤通讯、移动通信、高速宽带信息 网络时代。 • 第三代半导体材料（ 80-90 年代）：以 GaN 、 SiC 为代表的宽禁带材料。 20世纪90年代，GaN为代表，主要是异质外延及p型掺杂的突破，不仅在 高频、高速、微波大功率器件的国防应用领域，而且在全色显示和全固 态白光照明等商业应用领域，都发挥了不可替代的作用，并触发了人类 5 社会照明技术革命
20
光学性质
• 带隙范围：0.7eV-6.2eV
• 全组份直接带隙，发光效 率高
• 光学窗口：1.77µm（对应
InN带隙）-0.2µm（对应 AlN带隙）
• III-N 材料是一种具有宽光 学窗口、耐高温、性能优 越的半导体光电子材料， 可用于研制发光器件、激 光器件、电力电子器件， 特别是短波紫外发光器件
28
晶向指数和晶面指数
• 晶向指数：表征晶格中不同晶向，与晶向在各坐标轴上投 影比值相等的互质整数 • 晶面指数：与晶面法线方向在各坐标轴上投影比值相等的 互质整数 • 六方晶系：四轴坐标系，晶向指数与晶面指数均由4个数字 构成，分别记为[uvtw]和（hkil），两指数中前3个数字存 在u+v=-t，h+k=-i的关系，因此也常常省略掉第3个数字， 而表示为[uvw]和（hkl） • [11-20]晶向（-2表示投影在相应坐标轴X3轴的负方向）可 表示为[110]方向 • （1-100）晶面可表示为（1-10）面 • 注意晶面与晶向的区别：圆括号与方括号
人眼敏感区域
12
几种白光方式
13
CIE
• International commission on illumination (CIE) ，国际发光照明委 14 员会，颜色数字化
x, y 色品图
15
常见半导体带隙/晶格常数/发光波长/晶体结构 发光半导体
斜体
E(eV)=1240/λ(nm)
620nm, 2eV Visible light region
-6 -1 -3
闪锌矿结构
[1]
a=0.3189 c=0.5185 3.39
[2]
a=0.452 3.2 0.13
0.20 2.3×10 4.6×10 2.67 εr=8.9 ε∞=5.35 аa=5.59 аc=3.17
18
1.2×10 4.1×10 2.5 5.3 --
18
-3
19
19
• 六方纤锌矿：沿c轴（0001）方向堆垛顺序ABABAB…（常用） 1 Leszcynski M, Grzegory I, Bockowski M. X-ray examination of GaN single crystals grown at high •立方闪锌矿：沿 [111] 方向堆垛顺序ABCABC…（热力学亚稳结构） hydrostatic pressure [J]. Journal of Crystal Growth, 1993,126(4):601-604.
35
GaN能带图
•布里渊区内沿不同方向的简化能带 •在Γ点导带达到最低点，价带达到最高点，因此为直接带隙 •导带的第二低能谷为M-L谷，第三低能谷为A谷 •由于晶体对称性和自旋 -轨道相互作用，价带分裂为 3个能带，包括重空 穴带，轻空穴带和劈裂带