异质结原理与器件小论文

异质结原理与器件小论文

（小组）

题目：GaN——第三代半导体的新势力队长：刘敏物理1001

成员：马丹丹光信1001

李秋虹光信1002

目录

选题背景 (3)

一、GaN材料的发展概述 (4)

二、GaN材料的特性 (4)

2.1化学特性 (6)

2.2结构特性 (6)

2.3电学特性 (7)

2.4光学特性 (7)

三、GaN材料的应用 (8)

3.1新型电子器件 (8)

3.2光电器件 (8)

四、GaN的优缺点 (10)

4.1GaN材料的缺点 (10)

4.2GaN材料的优点 (11)

五、总结 (12)

六、参考文献 (13)

七、异质结小组分工及时间安排 (13)

GaN——第三代半导体的新势力

选题背景：自20世纪60年代，发光二极管(Light Emitting Diode，LED)的发展非常迅速，它具有体积小、耐冲击、寿命长、可靠度高与低电压低电流操作等优良的特性，适用于在各种环境的使用，而且符合未来环保节能的社会发展趋势。初期的以砷化镓(GaAs)、铝铟磷镓(AIGalnP)材料为基础之发光二极管，实现了红光至黄绿光波段的电激发光。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。

关键词：氮化镓半导体材料特性应用

一、GaN材料的发展概述

GaN是由Johnson等人于1928年合成的一种Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，由于晶体获得的困难，所以对它的研究未得到很好的进展。在60年代，用Ⅲ-Ⅴ族化合物材料GaAs制成激光器之后，才又对GaN 的研究产生兴趣。1969年，Maruska和Tietjen成功制备出了单晶GaN晶体薄膜，给这种材料带来了新的希望。但在此后很长时期内，GaN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90年代以来，由于缓冲层技术的采用和p型掺杂技术的突破，对GaN的研究热潮在全世界蓬勃发展起来，并且取得了辉煌的成绩。

二、GaN材料的特性

Ⅲ族氮化物，主要包括GaN、AN、InN（Eg<2.3V）、GaInN和AlGaInN 等，其禁带宽度覆盖了红、黄、绿、蓝、紫和紫外光谱范围。Ⅲ族氮化物有三种晶体结构，即纤锌矿、闪锌矿和岩盐结构，三种结构的主要差别在于原子层的堆积次序不同，因而电学性质也有显著差别。

GaN是Ⅲ族氮化物中的基本材料，也是目前研究最多的Ⅲ族氮化物材料。GaN材料硬度高，化学性质非常稳定。GaN的电学性质是决定器件性能的主要因素，电子室温迁移率目前可以达到900㎝2/（V •s）。在蓝宝石衬底上生长的未参杂的GaN样品存在较高（>1018/cm3）的n型本底载流子浓度，现较好的GaN样品的n型本底载流子浓度可以降到1016/cm3左右。由于n型本底载流子浓度较高，制备p型GaN 样品的技术难题曾一度限制了GaN器件的发展。随着技术的发展，目

前已经可以制备载流子浓度在1011~1020/ cm3的p型GaN材料。

在GaN材料体系中，GaInN的使用最为广泛，这是因为GaInN为直接带隙材料，通过改变In组分，可以调整发光波长，发光范围基本可以覆盖整个可见光光谱，另外GaInN的电子迁移率较高，适合制作高频电子器件，但在In组分较大时，GaInN同GaN或AN的晶格失配较大，材料生长较为困难。

接下来我们将详细阐述GaN材料的基本特性。

2.1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。GaN具有高的电离度，在Ⅲ-Ⅴ族化合物中是最高的（0.43或0.5）。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。

2.2结构特性

下表列出了GaN纤锌矿和闪锌矿结构的重要物理参数。

在很高压强下，GaN、AN、InN能生成岩盐结构。纤锌矿结构是

六方柱体原胞，因此有2个晶格常数a和c。纤锌矿结构由各自包含一种原子的两个密排六方晶格，沿c轴方向相对位移3c/8套构而成。闪锌矿结构由包含4个Ⅲ族原子和4个Ⅴ族原子的立方原胞构成，它是由两个面心立方晶体，沿对角线方向相对位移3a/4套构而成的。闪锌矿结构和纤锌矿结构从电子结构上看是相关的，两种结构的主要差别在于密排原子表面的堆积顺序不同，闪锌矿结构晶格原子的堆叠是…ABCABCABC…,而纤锌矿的堆叠顺序是…ABABAB…。

2.3电学特性

GaN的电学特性是影响器件的主要因素。未掺杂的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。

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。

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。

2．4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。氮化镓晶体管是直接带隙半导体材料,在室温下有很宽的带隙