氮化镓衬底
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电学特性
GaN 的电学特性是影响器件的主要因素。未有意掺杂的 GaN 在各种情况下都呈 n 型,最好的样品的电子浓度约为4×1016/cm3。一般情况下所制备的 P 型样品，都是 高补偿的。
很多研究小组都从事过这方面的研究工作，其中中村报道了 GaN 最高迁移率数 据在室温和液氮温度下分别为 μn=600cm2/v·s 和 μn= 1500cm2/v·s，相应的载流子浓 度为 n=4×1016/cm3和 n=8×1015/cm3。近年报道的 MOCVD 沉积 GaN 层的电子浓 度 数 值 为 4 ×1016/cm3 、 <1016/cm3 ； 等 离 子 激 活 MBE 的 结 果 为 8×103/cm3 、 <1017/cm3。
6.0×10－4eV/k。 Monemar 测定了基本的带 隙 为 3.503eV±0.0005eV， 在1.6kT 为 Eg=3.503+（5.08×10－4T2)/(T－996) eV。
另外，还有不少人研究 GaN 的光学特性。
GaN 材料生长
GaN 材料的生长是在高温下，通过 TMGa 分解出的 Ga 与 NH3的化学反应实现 的，其可逆的反应方程式为：
氮化镓
这是一种具有较大禁带宽度的半导体,属于所谓宽禁带半导体之列。它是微波功率晶体 管的优良材料，也是蓝色光发光器件中的一种具有重要应用价值的半导体。
简介
GaN 材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点，是研制微电子器 件、光电子器件的新型半导体材料，并与 SIC、金刚石等半导体材料一起，被誉为是 继第一代 Ge、Si 半导体材料、第二代 GaAs、InP 化合物半导体材料之后的第三代半 导体材料。它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好（几乎不 被 任 何 酸 腐 蚀 ）等 性 质 和 强 的 抗 辐 照 能 力 ，在 光 电 子 、高 温 大 功 率 器 件 和 高 频 微 波 器 件应用方面有着广阔的前景。
Ga+NH3=GaN+3/2H2 生长 GaN 需要一定的生长温度，且需要一定的 NH3分压。人们通常采用的方法 有 常 规 MOCVD( 包 括 APMOCVD 、 LPMOCVD) 、 等 离 子 体 增 强 MOCVD （PE—MOCVD）和电子回旋共振辅助 MBE 等。所需的温度和 NH3分压依次减少。 本工作采用的设备是 AP—MOCVD，反应器为卧式，并经过特殊设计改装。用国产的 高纯 TMGa 及 NH3作为源程序材料，用 DeZn 作为 P 型掺杂源，用（0001）蓝宝石 与（111）硅作为衬底采用高频感应加热，以低阻硅作为发热体，用高纯 H2作为 MO 源的携带气体。用高纯 N2作为生长区的调节。用 HALL 测量、双晶衍射以及室温 PL 光谱作为 GaN 的质量表征。要想生长出完美的 GaN，存在两个关键性问题，一是如 何能避免 NH3和 TMGa 的强烈寄生反应，使两反应物比较完全地沉积于蓝宝石和 Si 衬 底 上 ，二 是 怎 样 生 长 完 美 的 单 晶 。为 了 实 现 第 一 个 目 的 ，设 计 了 多 种 气 流 模 型 和 多 种形式的反应器，最后终于摸索出独特的反应器结构，通过调节器 TMGa 管道与衬底 的距离，在衬底上生长出了 GaN。同时为了确保 GaN 的质量及重复性，采用硅基座 作为加热体，防止了高温下 NH3和石墨在高温下的剧烈反应。对于第二个问题，采用 常规两步生长法，经过高温处理的蓝宝石材料，在550℃，首先生长250A0左右的 GaN 缓冲层，而后在1050℃生长完美的 GaN 单晶材料。对于 Si 衬底上生长 GaN 单晶， 首先在1150℃生长 AlN 缓冲层，而后生长 GaN 结晶。生长该材料的典型条件如下： NH3：3L/min TMGa：20μmol/minV/Ⅲ=6500 N2：3～4L/min H2：2<1L/min 人们普遍采用 Mg 作为掺杂剂生长 P 型 GaN，然而将材料生长完毕后要在800℃ 左右和在 N2的气氛下进行高温退火，才能实现 P 型掺杂。本实验采用 Zn 作掺杂剂， DeZ2n/TMGa=0.15，生长温度为950℃，将高温生长的 GaN 单晶随炉降温，Zn 具有 P 型掺杂的能力，因此在本征浓度较低时，可望实现 P 型掺杂。 但是，MOCVD 使用的 Ga 源是 TMGa，也有副反应物产生，对 GaN 膜生长有害， 而 且 ，高 温 下 生 长 ，虽 然 对 膜 生 长 有 好 处 ，但 也 容 易 造 成 扩 散 和 多 相 膜 的 相 分 离 。中 村 等 人 改 进 了 MOCVD 装 置 ， 他 们 首 先 使 用 了 TWO—FLOWMOCVD （ 双 束 流 MOCVD）技术，并应用此法作了大量的研究工作，取得成功。双束流 MOCVD 生长 示意图如图1所示。反应器中由一个 H2+NH3+TMGa 组成的主气流，它以高速通过石 英喷平行于衬底通入，另一路由 H2+N2 形成辅气流垂直喷向衬底表面，目的是改变 主气流的方向，使反应剂与衬底表面很好接触。用这种方法直接在 α—Al2O3基板（C 面）生长的 GaN 膜，电子载流子浓度为1×1018/cm3，迁移率为200cm2/v·s，这是直 接生长 GaN 膜的最好值。
化学特性
在室温下，GaN 不溶于水、酸和碱，而在热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶解。 NaOH、H2SO4和 H3PO4能较快地腐蚀质量差的 GaN，可用于这些质量不高的 GaN 晶体的缺陷检测。GaN 在 HCL 或 H2气下，在高温下呈现不稳定特性，而在 N2气下 最为稳定。
结构特性
表1列出了纤锌矿 GaN 和闪锌矿 GaN 的特性比较。
化学式
GaN
GaN 材料的特性
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ总述
GaN 是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为1700℃，GaN 具有 高的电离度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5或0.43）。在大气压力下，GaN 晶体 一般是六方纤锌矿结构。它在一个元胞中有4个原子，原子体积大约为 GaAs 的一半。 因为其硬度高，又是一种良好的涂层保护材料。
未掺杂载流子浓度可控制在1014～1020/cm3范围。另外，通过 P 型掺杂工艺和 Mg 的低能电子束辐照或热退火处理，已能将掺杂浓度控制在1011～1020/cm3范围。
光学特性
人们关注的 GaN 的特性，旨在它在蓝光和紫光发射器件上的应用。Maruska 和 Tietjen 首先精确地测量了 GaN 直接隙能量为3.39eV。几个小组研究了 GaN 带隙与 温度的依赖关系，Pankove 等人估算了一个带隙温度系数的经验公式：dE/dT=－
GaN 的电学特性是影响器件的主要因素。未有意掺杂的 GaN 在各种情况下都呈 n 型,最好的样品的电子浓度约为4×1016/cm3。一般情况下所制备的 P 型样品，都是 高补偿的。
很多研究小组都从事过这方面的研究工作，其中中村报道了 GaN 最高迁移率数 据在室温和液氮温度下分别为 μn=600cm2/v·s 和 μn= 1500cm2/v·s，相应的载流子浓 度为 n=4×1016/cm3和 n=8×1015/cm3。近年报道的 MOCVD 沉积 GaN 层的电子浓 度 数 值 为 4 ×1016/cm3 、 <1016/cm3 ； 等 离 子 激 活 MBE 的 结 果 为 8×103/cm3 、 <1017/cm3。
6.0×10－4eV/k。 Monemar 测定了基本的带 隙 为 3.503eV±0.0005eV， 在1.6kT 为 Eg=3.503+（5.08×10－4T2)/(T－996) eV。
另外，还有不少人研究 GaN 的光学特性。
GaN 材料生长
GaN 材料的生长是在高温下，通过 TMGa 分解出的 Ga 与 NH3的化学反应实现 的，其可逆的反应方程式为：
氮化镓
这是一种具有较大禁带宽度的半导体,属于所谓宽禁带半导体之列。它是微波功率晶体 管的优良材料，也是蓝色光发光器件中的一种具有重要应用价值的半导体。
简介
GaN 材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点，是研制微电子器 件、光电子器件的新型半导体材料，并与 SIC、金刚石等半导体材料一起，被誉为是 继第一代 Ge、Si 半导体材料、第二代 GaAs、InP 化合物半导体材料之后的第三代半 导体材料。它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好（几乎不 被 任 何 酸 腐 蚀 ）等 性 质 和 强 的 抗 辐 照 能 力 ，在 光 电 子 、高 温 大 功 率 器 件 和 高 频 微 波 器 件应用方面有着广阔的前景。
Ga+NH3=GaN+3/2H2 生长 GaN 需要一定的生长温度，且需要一定的 NH3分压。人们通常采用的方法 有 常 规 MOCVD( 包 括 APMOCVD 、 LPMOCVD) 、 等 离 子 体 增 强 MOCVD （PE—MOCVD）和电子回旋共振辅助 MBE 等。所需的温度和 NH3分压依次减少。 本工作采用的设备是 AP—MOCVD，反应器为卧式，并经过特殊设计改装。用国产的 高纯 TMGa 及 NH3作为源程序材料，用 DeZn 作为 P 型掺杂源，用（0001）蓝宝石 与（111）硅作为衬底采用高频感应加热，以低阻硅作为发热体，用高纯 H2作为 MO 源的携带气体。用高纯 N2作为生长区的调节。用 HALL 测量、双晶衍射以及室温 PL 光谱作为 GaN 的质量表征。要想生长出完美的 GaN，存在两个关键性问题，一是如 何能避免 NH3和 TMGa 的强烈寄生反应，使两反应物比较完全地沉积于蓝宝石和 Si 衬 底 上 ，二 是 怎 样 生 长 完 美 的 单 晶 。为 了 实 现 第 一 个 目 的 ，设 计 了 多 种 气 流 模 型 和 多 种形式的反应器，最后终于摸索出独特的反应器结构，通过调节器 TMGa 管道与衬底 的距离，在衬底上生长出了 GaN。同时为了确保 GaN 的质量及重复性，采用硅基座 作为加热体，防止了高温下 NH3和石墨在高温下的剧烈反应。对于第二个问题，采用 常规两步生长法，经过高温处理的蓝宝石材料，在550℃，首先生长250A0左右的 GaN 缓冲层，而后在1050℃生长完美的 GaN 单晶材料。对于 Si 衬底上生长 GaN 单晶， 首先在1150℃生长 AlN 缓冲层，而后生长 GaN 结晶。生长该材料的典型条件如下： NH3：3L/min TMGa：20μmol/minV/Ⅲ=6500 N2：3～4L/min H2：2<1L/min 人们普遍采用 Mg 作为掺杂剂生长 P 型 GaN，然而将材料生长完毕后要在800℃ 左右和在 N2的气氛下进行高温退火，才能实现 P 型掺杂。本实验采用 Zn 作掺杂剂， DeZ2n/TMGa=0.15，生长温度为950℃，将高温生长的 GaN 单晶随炉降温，Zn 具有 P 型掺杂的能力，因此在本征浓度较低时，可望实现 P 型掺杂。 但是，MOCVD 使用的 Ga 源是 TMGa，也有副反应物产生，对 GaN 膜生长有害， 而 且 ，高 温 下 生 长 ，虽 然 对 膜 生 长 有 好 处 ，但 也 容 易 造 成 扩 散 和 多 相 膜 的 相 分 离 。中 村 等 人 改 进 了 MOCVD 装 置 ， 他 们 首 先 使 用 了 TWO—FLOWMOCVD （ 双 束 流 MOCVD）技术，并应用此法作了大量的研究工作，取得成功。双束流 MOCVD 生长 示意图如图1所示。反应器中由一个 H2+NH3+TMGa 组成的主气流，它以高速通过石 英喷平行于衬底通入，另一路由 H2+N2 形成辅气流垂直喷向衬底表面，目的是改变 主气流的方向，使反应剂与衬底表面很好接触。用这种方法直接在 α—Al2O3基板（C 面）生长的 GaN 膜，电子载流子浓度为1×1018/cm3，迁移率为200cm2/v·s，这是直 接生长 GaN 膜的最好值。
化学特性
在室温下，GaN 不溶于水、酸和碱，而在热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶解。 NaOH、H2SO4和 H3PO4能较快地腐蚀质量差的 GaN，可用于这些质量不高的 GaN 晶体的缺陷检测。GaN 在 HCL 或 H2气下，在高温下呈现不稳定特性，而在 N2气下 最为稳定。
结构特性
表1列出了纤锌矿 GaN 和闪锌矿 GaN 的特性比较。
化学式
GaN
GaN 材料的特性
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ总述
GaN 是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为1700℃，GaN 具有 高的电离度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5或0.43）。在大气压力下，GaN 晶体 一般是六方纤锌矿结构。它在一个元胞中有4个原子，原子体积大约为 GaAs 的一半。 因为其硬度高，又是一种良好的涂层保护材料。
未掺杂载流子浓度可控制在1014～1020/cm3范围。另外，通过 P 型掺杂工艺和 Mg 的低能电子束辐照或热退火处理，已能将掺杂浓度控制在1011～1020/cm3范围。
光学特性
人们关注的 GaN 的特性，旨在它在蓝光和紫光发射器件上的应用。Maruska 和 Tietjen 首先精确地测量了 GaN 直接隙能量为3.39eV。几个小组研究了 GaN 带隙与 温度的依赖关系，Pankove 等人估算了一个带隙温度系数的经验公式：dE/dT=－