半导体材料的华丽家族―GaN材料(精)

福州大学工程技术学院
学生论文
题目：半导体材料的华丽家族—GaN材料年级： 2010级
专业：材料科学与工程专业
学号： 261080026
学生姓名：林芳
指导教师：郑兴华
2011 年 12 月 11日
半导体材料的华丽家族—GaN材料
摘要
自从蓝色GaN/GaInN LEDs研制成功之后,氮化物逐渐成为化合物半导体领域中一颗耀眼的新星。

以高亮度GaN基白光LED为核心的半导体照明技术对照明领域带来了很大的冲击，并成为目前全球半导体领域研究和投资的热点。

本文首先综述了GaN材料的基本特性、制备、以及GaN基白光LED的特点、合成与发展前景。

关键词：GaN，半导体材料，低色温、高显色，白光LED
目录
1.绪论 (1)
1.1 GaN的背景 (1)
1.2 GaN的基本特性 (1)
1.3 GaN材料的制备 (2)
1.3.1材料的选择 (2)
1.3.2 GaN外延材料的生长 (2)
1.4 GaN基器件的应用和市场前景····························
(4)
2.GaN基--低色温、高显色白光LED (4)
2.1白光LED的特点 (4)
2.2白光LED的合成 (4)
2.3 LED的未来发展与展望 (6)
3.致谢 (7)
4.参考文献 (8)
1·绪论
1.1 GaN的背景
在半导体产业的发展中，一般将Si、Ge称为第一代电子材料；而将GaAs、InP、GaP、InAs、AlAs及其合金等称为第二代电子材料；宽禁带(Eg>2.3eV半导体材料近年来发展十分迅速，成为第三代电子材料，主要包括SiC、ZnSe、金刚石和GaN等。

在第三代半导体材料中，SiC和ZnSe在相当长的一段时间内一直是研究和开发的重点，尽管SiC为间接带隙材料，其蓝色LEDs的发光亮度很低，但SiC蓝色LEDs在GaN蓝光LEDs 实现商品化之前仍是唯一的商品化的蓝光LEDs产品；而ZnSe材料由于实现蓝光LDs(寿命约为几个小时，更是成为世界各大公司和研究机构的掌上珠。

GaN材料由于受到没有合适的单晶
衬底材料(蓝宝石衬底与GaN的晶格失配高达14%、位错密度太大(约为ZnSe材料的107
倍、
n-型本底浓度太高(>1018
/cm
3
和无法实现p-型掺杂等问题的困扰,曾被认为是一种没有希望
的材料，因而发展十分缓慢。

进入90年代之后，随着材料生长和器件工艺水平的不断发展和完善，GaN基器件的发展十分迅速，目前已经成为宽带隙半导体材料中一颗十分耀眼的新星。

1.2 GaN的基本特性
Ⅲ族氮化物，主要包括GaN、AlN、InN(Eg<2.3V、AlGaN、GaInN、AlInN和AlGaInN等，同第一、二代电子材料相比[表1-1]，第三代半导体材料具有禁带宽度大（覆盖了红、黄、绿、蓝、紫和紫外光谱范围），电子漂移饱和速度高，介电常数小，导热性能好等特点。

[表1-1]Si、GaAs和宽带隙半导体材料的特性对比
在通常条件下，它们以六方对称性的铅锌矿结构存在，但在一定条件下也能以立方对称性的闪锌矿结构存在。

两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。

[表1-2]给出了两种结构的AlN、GaN和InN在300K时的带隙宽度和晶格常数。

[表1-2]两种结构AlN、GaN、InN的带隙宽度和晶格常数(300K
GaN材料非常坚硬，其化学性质非常稳定，在室温下不溶于水、酸和碱，其融点较高，约为1700℃。

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900cm2(V·s。

在蓝宝石衬底上生长的非故意掺杂的GaN样品存在较高(>1018/cm3的n型本底载流子浓度。

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。

1.3 GaN材料的制备
1.3.1材料的选择
制备高质量的GaN体单晶材料和薄膜单晶材料，是研究开发族氮化物发光器件、电子器件以及保证器件性能和可靠性的前提条件。

因为GaN的融点高，所以很难采用熔融的液体GaN 制备体单晶材料，即使采用了高温、高压技术，也只能制备出针状或小尺寸的片状GaN晶体。

目前仍在开展生长大尺寸GaN体单晶材料的研究工作。

随着异质外延技术的不断进步,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,这使得GaN材料体系的应用得到了迅速的发展。

在选择衬底材料时通常考虑的因素如下:
(1尽量采用同一系统的材料作为衬底；
(2晶格失配度越小越好；
(3材料的热膨胀系数相近；
(4用于微波器件时,最好选取微波介质性质良好的半绝缘材料；
(5材料的尺寸、价格等因素。

1.3.2 GaN外延材料的生长
目前可以采用MOVPE、MBE和HVPE等外延技术实现GaN的异质外延生长。

（1）HVPE：卤化物气相外延(HVPE技术，以GaCl3为Ga源，NH3为N源,在1000℃左右在蓝宝石衬底上可以快速生长质量较好的GaN材料，生长速度可以达到每小时几百微米。

HVPE
的缺点是很难精确控制膜厚，反应气体对设备具有腐蚀性，影响GaN材料纯度的提高.HVPE主要用于改进MOVPE生长的LEDs结构，以提高取光效率，或改进MBE生长的LDs结构，使其具
有较低的串联电阻和较好解理。

（2）MBE：分子束外延技术，直接以Ga或Al的分子束作为III族源，以NH3为N源，在衬底表面反应生成族氮化物。

该方法可以在较低的温度下实现GaN的生长，有可能减少N的挥发,
从而降低本底n型载流子浓度。

但在低温下，NH3与族金属的反应速率很慢，生成物分子的可动性差,为了进一步提高晶体质量，正在研究以等离子体辅助增强技术激发N2，替代NH3作为N源。

反应分子束外延生长族氮化物的速度较慢，可以精确控制膜厚，但对于外延层较厚的器件(如LEDs、LDs的生长时间过长，不能满足大规模生产的要求。

（3）MOVPE：金属有机物气相外延(MOVPE技术，以族金属有机物为III族源，以NH3为N 源，在高温下(通常>1000℃进行族氮化物的生长。

MOVPE的生长速率适中，可以比较精确的控制膜厚，特别适合于LEDs和LDs的大规模工业生产，目前EMCORE和AIXTRON公司都已开发出用于工业化生产的族氮化物MOVPE设备。

由于使用了难于裂解并易于发生杂散反应的NH3作为N源,需要严格控制生长条件，并改进生长设备。

Nakamura等人在1990年开发了双束流(TF2MOVPE生长技术[图1-3]，并采用该技术于1991年生长得到了高质量的p型GaN晶体。

MOVPE技术是目前使用最多，材料和器件质量最高的生长方法。

[图1-3]双束流MOVPE生长示意图
(4两步生长工艺：由于GaN同蓝宝石的晶格失配太大，为了获得晶体质量较好的GaN外延层，必须采用两步生长工艺。

即首先在较低的温度下(500～600℃生长很薄的一层GaN或AlN作为缓冲层(buffer layer，再将温度调整到较高的温度生长GaN。

Akasaki首先以AlN为缓冲层生长得到了高质量的GaN晶体，随后Nakamura发现以GaN为缓冲层可以得到更高质量的GaN晶体。

1.4 GaN基器件的应用和市场前景
GaN基器件在高亮度蓝、绿光LEDs和蓝光LDs以及抗辐射、高温大功率微波器件等领域有着广阔的应用潜力和良好的市场前景。

随着高亮度AlGaInP红光LED和GaInN蓝、绿光LED
的商品化，可见光LED的应用领域已经由室内扩展到室外，由单色显示发展为彩色显示，将在全色动态信息平板显示、固体照明光源、信号指示灯和背光照明等领域获得广泛应用。

而蓝、绿光LD在增大信息的光存储密度、深海通信、材料加工、激光打印、大气污染监控等方面有广泛的用途。

2·GaN基--低色温、高显色白光LED
2.1 白光LED的特点
(1小体积：体积小、重量轻。

利用其特点可设计又薄、又轻、又紧凑的各种式样的灯具、背光源产品。

(2高效率：发光效率高，一个两瓦的LED灯相当于一个15瓦的普通白炽灯灯泡的照明效果。

(3多色彩：LED色彩鲜艳丰富。

不同的半导体材料，不同颜色的光。

颜色饱和度达到130%全彩色不同光色的组合变化多端，利用时序控制电路，更能达到丰富多彩的动态变化效果。

(4寿命长：LED灯最长可达100000小时；LED半衰减期可达50000小时以上。

(5低耗电：比同光效的白炽灯最多可节省百分之七十。

(6低故障：LED是半导体元件，与白炽灯和电子节能灯相比，没有真空器件和高压触发电路等敏感部件，故障极低，可以免维修。

(7低电压：驱动电压低，工作电压为直流，安全。

(8方向性强：平面发光，方向性强。

它与点光源白炽灯不同，视角度
≤180°，设计时一定要注意和利用LED光源有不同的视角度和不能大于180°的特点。

(9响应快：响应时间短，只有60ns，启动十分迅速；白炽灯是毫秒数量级。

(10绿色、环保：单色性好，LED光谱集中，没有多余红外、紫外等光谱，热量、辐射很少，对被照物产生影响少。

而且不含汞有害物质，废弃物可回收，没有污染。

2.2 白光LED的合成
白光LED的合成途径大体上有2条：第一条是RGB，也就是红光LED+绿光LED+蓝光LED，采用RGB合成白光的办法主要的问题是绿光的转换效率低。

第二条是LED+不同色光荧光粉：第一个方法是用紫外或紫光LED+RGB荧光粉来合成LED，这种工作原理和日光灯是类似的，但是比日光灯的性能要优越，其中紫光LED的转换系数可达80%，各色荧光粉的量子转换效率可以达到90%，还有一个办法是用蓝光LED+红绿荧光粉，蓝光LED效率60%，荧光粉效率
70%；还有是蓝光LED+黄色荧光粉来构成白光。

[表2-1]是用不同颜色及数目LED加荧光粉所做成的白光LED的优点及缺点。

[表2-1]
理想的白光LED是采用红、绿、蓝三基色发光二极管来合成，三色二极管的光强度可分开控制，形成全彩的变色效果，并可通过波长和强度的选择来得到较佳的演色性。

白光LED由于使用的三个二极管都是热源,散热是其他封装形式的三倍,芯片光效更会随温度的升高而明显降低,并造成其寿命的缩短。

为了解决散热, 采用有源层中不同的量子阱。

用不同的In组分来控制发光波长，在蓝宝石衬底上依次生长InGaN/GaN蓝光LEDs和InGaN/GaN绿光LEDs结构，当注入电流小于200mA时，得到了接近白光的发射光谱但色温却高达9000K；采用键合技术制作GaAs/GaN白光LEDs，由于三种芯片的量子效率各不相同,衰减也不同，最终造成出光颜色不稳定；采用460nm蓝光激发YAG (钇铝石榴石）黄光荧光粉来得到白光LED，YAG荧光粉通过吸收一部分蓝光来激发黄光，黄光与没被吸收的蓝光混合产生白光,这种方法因其结构简单，容易制作，加上YAG荧光粉制作工艺的成熟，已经广泛应用到白光LED的生产领域；采用440nm短波长InGaN/GaN蓝光LED芯片激发高效红、绿荧光粉，该方法可制得低色温高显色性白光LED，既可避免紫外光激发带来的一系列问题，又可得到较好的色温和演色性。

2.3 LED的未来发展与展望
未来LED的发展方向：做小→尺寸小；做大→功率大；做快→散热快；做低→成本低；独立→集成。

目前我国的产业链经过多年不断的发展已经相对完善，也具备了一定的发展基础。

其中下游产业进入壁垒小，劳动密集型，正适合我国的国情;技术也在不断的突破，现在看来发展这个产业正是时候，LED本身又具有节能环保的优点，为我国经济社会发展之急需，由此来看我国的LED产业也具备着相当高的发展机遇。

为了更好的掌控LED产业，我国也有了自己的技术和产业发展思路：抓住照明产业革命的历史机遇，坚持政府引导，以企业为主体和市场化运作原则，以技术创新为核心，机制创新为保障，在解决市场继续的产业化技术的同时，加大对重大关键技术研发的投入，集中力量，重点突破，实现跨越式发展，通过全球范围内资源的整合，基地建设和龙头企业的培育，形成
有自主知识产权和有国际竞争力的新兴产业。

在这样一个充满挑战和机遇的环境下，我国的LED产业必将迎来一个崭新的未来。

致谢
参考文献
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