gan基基半导体材料光学特性研究

1. 绪论

20世纪90年代以来，由于异质外延缓冲层技术的采用和GaN的P型掺杂技术的突破，从而开辟了GaN通向实际应用的光辉大道，引发了全世界GaN研究的热潮，并已取得了辉煌的成绩。GaN超高亮度蓝、绿光LED已实现商品化。目前研发竞争的焦点主要集中在蓝光LD方面，以及大功率高温半导体器件和微波器件用的材料研制和器件制备技术方面。以GaN为代表的第三代半导体材料被誉为IT产业新的发动机。GaN材料具有许多硅基材料所不具备的优异性能，包括能够满足大功率、高温、高频和高速半导体器件的工作要求。它最重要的物理特点是具有比第一、二代半导体材料更宽的禁带，可以发射波长更短的蓝光和紫光，因此，GaN器件可以广泛地应用于光显示、光存储、激光打印、光照明以及医疗和军事等领域。因此，近几年世界各国政府有关机构、相关企业以及风险投资公司都纷纷加大了对GaN基半导体材料及器件的研发投入。

1.1氮化镓材料的发展历程

自从1928年GaN首次合成，到1969年成功制备出了GaN单晶晶体薄膜，都一度给这种材料带来了新的希望。很长的一段时间以来，人们一直在寻求和研究GaN体单晶材料和其外延薄膜晶体的生长方法。由于氮化镓体单晶生长极其困难，且单晶直径太小，不能达到实用化的目的，而其薄膜晶体又因缺陷密度和本体施主浓度过高等原因，使川族氮化物半导体材料和器件的进展缓慢，一直落后于SiC和ZnSe带隙半导体材料和器件的发展。进入20世纪90年代以后，随着异质外延技术的不断进步，采用缓冲层技术，现在已经可以在一些特定的衬底材料上外延生长得到质量较好的GaN 外延层。另外，制备P型GaN的技术难题，也通过对搀入P型杂质的GaN进行低能电子束辐射或进行热处理得以解决。目前，对GaN及其相关川族氮化物半导体研究的焦点已集中在蓝光LD及大功率高温半

导体器件和微波用材料的研制和器件的制备方面。

1.2氮化镓材料的优势和应用

GaN材料具有许多硅基材料所不具备的优异性能，包括能够满足大功率、高

温、高频和高速半导体器件的工作要求。由于具有优越性的特性，GaN材料以及

基于GaN材料的各种器件在近十年中得到了系统和深入的研究。GaN材料主要应

用于光学器件如发光二极管(LED)、半导体激光器(LD)、光探测器(PD);电子器件如高电子迁移率晶体管(HEMT)肖特基势垒场效应晶体管(MESFET)

AIGaN/GaF高电子迁移率晶体管(HEMTs在高频高温大功率领域具有十分引人瞩目应用前景。AIGaN/GaN H国际上广泛关注的新型宽禁带化合物半导体材料, 具有较宽的禁带宽度(GaN3.4eV,AIN6.2eV),较高的击穿场强(1〜3X 1010V/cm ), 高电子饱和漂移速率(2.2 X 1010cm/s),良好热稳定性。与此同时,AIGaN/GaN异质结具有较大的导带不连续性，注入效率较高，界面处又有强烈的自发极化与压电极化效应，2DE師达到很高的电子密度(不掺杂可达1013cm2)因此，凭借优良的材料特性及制作工艺的提

高,GaN基器件可达到比GaAS器件大5〜10倍的微波功率密度。目前国际上报道GaN单指HEMT器件10GHz下连续波功率密度可达10.7W/m>A约40% 在20GH

下,0.3卩m器件CW测试功率密度可达到3 W/r^P AE约为22.5%。SiC衬底GaN单指器件行大于160GHz蓝宝石衬底仃大于110GHz我国的GaN 器件研究工作开展得较少。

氮化傢是继第一代硅、锗(Ge)和第二代砷化傢(GaAS、磷化铟(InP) 等材料以后的第三代新型半导体材料，具有大禁带宽度、高临界场强、高热导率、高载流子饱和速率、异质结界面二维电子气浓度高等特性，其品质因素远远超过了硅和砷化傢，因而成为制造咼功率、咼频电子器件、短波长光电子器件、咼温器件和抗辐照器件最重要的半导体材料。其中，GaN由于其材料特性相对其它竞争者更具优势，各种材料特性对比如表 1.1所示

表1.1几种半导体材料特性参数

((材料

?m2/V

•

迁移率

s)

介电常数

禁带宽度

n

• K)

热导率Baliga

优值优值(eV)

Johoi

(W/cm

Si130011.4 1.1 1.5 1.0

1.0

GaAs500013.1 1.40.469.6

3.5

SiC2609.7 2.9 3.5 3.1

60

GaN15009.5 3.4 1.724.680

此外GaN基器件具备很多优点，可总结为表1.2。第一列是对任何功率器件技术的性能要求，第二列是可以满足前面要求的GaN基器件特性，第三列是采用GaN器件可以达到的系统级性能优势。

表1.2 GaN基器件的优点与系统需求

技术要求

Ga

N基器件可用特性系统级性能优势

咼功率/单位栅宽禁带宽，能承受咼电场强度面积小，易匹配

高工作电压击穿电场高消除/减小电压转换

高线性HEMT结构频带分布优化

咼频率2DEG迁移率咼频带宽，微波/毫米波

咼效率工作电压咼节能，散热要求低

低噪声增益高，速度快咼动态范围

高温工作禁带宽可靠性好

热管理SiC衬底散热要求低的大功率器件

2. 氮化镓材料的制备和基本特性

要了解氮化镓的光学特性，我们应了解氮化镓如何制备，及其基本特性。这

对为何氮化镓受到市场广泛应用有很重要的实用意义。从其基本特性我们也可以

对氮化镓材料做一个初步的了解，而且这些特性之间都是有联系的，这对最终研究其光学特性是非常重要的。

2.1氮化镓材料的制备

制备高质量的GaN体单晶材料和薄膜材料,是研制开发川族氮化物发光器件、电子器件以及保证器件性能和可靠性的前提条件。因为GaN的熔点高达1700C左右,所以很难采用熔融的液体GaN制备单晶材料,虽然采用了高温、高压技术，但也只能得到针状或小尺寸的片状GaN晶体。历史上GaN材料的制备经历了3个阶段:1928年Johnson等人通过Ga金属与NH3反应合成了GaN粉末,1969 年Maruska和Tietjen等人用氢化物气相外延（HVPE）方法制备了第一个GaN单晶

薄膜，进入80年代以来，MOCV技术开始用于GaN材料的生长，尤其是Nakamura