氮化镓你了解多少.docx

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1、氮化钱你了解多少目录1 .氮化铁基本情况12 .材料特性22.1.总述22.2.化学特性22.2.1.基本数据32.2.2.合成32.2.3.化学特性32.3.使用和储存32.4.结构特性42.5.电学特性42.6.光学特性53 .材料生长54 .材料应用64 .1.新型电子器件75 .2.光电器件76 .3.应用前景87 .缺点和问题98 .优点与长处99 .主要问题1010 国家标准1011 什么是高电子迁移率晶体管？1012 .硅基晶体管及电子时代的来临1113 .氮化钱半导体的快速发展1114 .氮化钱器件如何工作？121 .氮化钱基本情况氮化像是一种无机物，化学式GaN,是氮和钱的化

2、合物，是一种直接能隙(directbandgap)的半导体，自1990年起常用在发光二极管中。此化合物结构类似纤锌矿，硬度很高。氮化钱的能隙很宽，为3.4电子伏特，可以用在高功率、高速的光电元件中，例如氮化钱可以用在紫光的激光二极管，可以在不使用非线性半导体泵浦固体激光器(DiOde-PUmPedso1id-stateIaSer)的条件下，产生紫光(405nm)激光。2014年，日本名古屋大学和名城大学教授赤崎勇、名古屋大学教授天野浩和美国加州大学圣塔芭芭拉分校教授中村修二因发明蓝光1ED而获得当年的诺贝尔物理奖。氮化铁(GaN)是一种非常坚硬且在机械方面非常稳定的宽带隙半导体材料。由于具有更

3、高的击穿强度、更快的开关，更高的热导率和更低的导通电阻，氮化铁基功率器件明显比硅基器件更优越。氮化钱晶体可以在各种衬底上生长，包括蓝宝石、碳化硅(SiC)和硅(Si)。在硅上生长GaN外延层可以使用现有的硅制造基础设施，从而无需使用高成本的特定生产设施，而且以低成本采用大直径的硅晶片。氮化钱用于制造半导体功率器件，也可以用于制造射频元件和发光二极管(1ED)o氮化钱技术展示出它可以在功率转换、射频及模拟应用中，替代硅基半导体技术。2 .材料特性2.1总述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

4、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。GaN是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为1700C,GaN具有高的电离度，在I-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。2.2.化学特性2.2.1.基本数据1、疏水参数计算参考值(

5、X1ogP)：无2、氢键供体数量：03、氢键受体数量：14、可旋转化学键数量：05、互变异构体数量：无6、拓扑分子极性表面积：23.87、重原子数量：28表面电荷：09、复杂度：1010、同位素原子数量：011、确定原子立构中心数量：012、不确定原子立构中心数量：013、确定化学键立构中心数量：014、不确定化学键立构中心数量：015、共价键单元数量：12.2.2.合成1、即使在IOO(TC氮与钱也不直接反应。在氨气流中于1050I1O(TC下加热金属钱30min可制得疏松的灰色粉末状氮化像GaNo加入碳酸镂可提供气体以搅动液态金属，并促使与氮化剂的接触。2、在干燥的氨气流中焙烧磨细的GaP

6、或GaAs也可制得GaNo2. 2.3.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HQ或H2气下，在高温下呈现不稳定特性，而在N?气下最为稳定。2.3. 使用和储存如果遵照规格使用和储存则不会分解。避免接触氧化物，热，水分/潮湿。GaN在1050C开始分解：2GaN(s)=2Ga(g)+N2(g)2X射线衍射已经指出GaN晶体属纤维锌矿晶格类型的六方晶系。在氮气或氮气中当温度为IOOOC时GaN会慢慢挥发，证明GaN在较高的温度下是稳定的，在113

7、0C时它的蒸气压比从焰和燧计算得到的数值低，这是由于有多聚体分子(GaN)X的存在。GaN不被冷水或热水，稀的或浓的盐酸、硝酸和硫酸，或是冷的40%HF所分解。在冷的浓碱中也是稳定的，但在加热的情况下能溶于碱中。2.4.结构特性a图IGaN纤锌矿结构图GaN的晶体结构主要有两种，分别是纤锌矿结构与闪锌矿结构。2.5.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410i6cm3一般情况下所制备的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n=600cm2V

8、.s和n=1500cm2Vs,相应的载流子浓度为n=41016cm3n=81015cm3,近年报道的MOCVD沉积GaN层的电子浓度数值为4x1Oi6/cm3、1016cm3;等离子激活MBE的结果为8x1()3/cm3、1017cm3o未掺杂载流子浓度可控制在10141()20/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10i102cm3范围。2.6.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3.39eVo几个小组研究了GaN带隙与温度的依赖关系，Pank

9、ove等人估算了一个带隙温度系数的经验公式：dEdT=-6.010-4eVkMOnemar测定了基本的带隙为3.503eV0.0005eV,在1.6kT为Eg=3.503+(5.08104T2)(T-996)eVo另外，还有不少人研究GaN的光学特性。3 .材料生长GaN材料的生长是在高温下，通过TMGa分解出的Ga与NG的化学反应实现的，其可逆的反应方程式为：Ga+NH3=GaN+32H2生长GaN需要一定的生长温度，且需要一定的NC分压。人们通常采用的方法有常规MOCVD(包括APMOCVD、1PMOCVD)等离子体增强MoCVD(PEMOCVD)和电子回旋共振辅助MBE等。所需的温度和分

10、压依次减少。本工作采用的设备是APMOCVD,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(OOOI)蓝宝石与(II1)硅作为衬底采用高频感应加热，以低阻硅作为发热体，用高纯电作为MO源的携带气体。用高纯”作为生长区的调节。用HA11测量、双晶衍射以及室温P1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NC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

11、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1050C生长完美的GaN单晶材料。对于Si衬底上生长GaN单晶，首先在1150C生长AIN缓冲层，而后生长GaN结晶。生长该材料的典型条件如下：NH3:31minTMGa：20mo1minVI=6500N2:341minH2:211min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800C左右和在N2的

12、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，DeZ2nTMGa=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TWOF1OWMOCVD（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

13、于衬底通入，另一路由H2+”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aAI2O3基板（C面）生长的GaN膜，电子载流子浓度为IXIOI8cn迁移率为200cm2Vs,这是直接生长GaN膜的最好值。4 .材料应用4.1. 新型电子器件GaN材料系列具有低的热产生率和高的击穿电场，是研制高温大功率电子器件和高频微波器件的重要材料。目前，随着MBE技术在GaN材料应用中的进展和关键薄膜生长技术的突破，成功地生长出了GaN多种异质结构。用GaN材料制备出了金属场效应晶体管(MESFET)、异质结场效应晶体管(HFET)、调制掺杂场效应晶体管(Mc

14、)DFET)等新型器件。调制掺杂的A1GaN/GaN结构具有高的电子迁移率(2000cm2/Vs)、高的饱和速度(IX1o7cm/s)、较低的介电常数,是制作微波器件的优先材料；GaN较宽的禁带宽度(3.4eV)及蓝宝石等材料作衬底，散热性能好，有利于器件在大功率条件下工作。4.2.光电器件GaN材料系列是一种理想的短波长发光器件材料，GaN及其合金的带隙覆盖了从红色到紫外的光谱范围。自从1991年日本研制出同质结GaN蓝色1ED之后，InGaN/AIGaN双异质结超亮度蓝色1ED、InGaN单量子阱GaN1ED相继问世。目前，ZCd和6cd单量子阱GaN蓝色和绿色1ED己进入大批量生产阶段，

15、从而填补了市场上蓝色1ED多年的空白。以发光效率为标志的1ED发展历程见图3。蓝色发光器件在高密度光盘的信息存取、全光显示、激光打印机等领域有着巨大的应用市场。随着对I族氮化物材料和器件研究与开发工作的不断深入，Ga1nN超高度蓝光、绿光1ED技术已经实现商品化，现在世界各大公司和研究机构都纷纷投入巨资加入到开发蓝光1ED的竞争行列。1993年，Nichia公司首先研制成发光亮度超过Icd的高亮度Ga1nN/A1GaN异质结蓝光1ED,使用掺Zn的Ga1nN作为有源层，外量子效率达到2.7%,峰值波长450nm,并实现产品的商品化。1995年，该公司又推出了光输出功率为2.0mW,亮度为6cd商品化GaN绿光1ED产品，其峰值波长为525nm,半峰宽为40nm。最近，该公司利用其蓝光1ED和磷光技术，又推出了白光固体发光器件产品，其色温为6500K,效率达7.5流明/W。除NiChia公司以外，HP、Cree等公司相继推出了各自的高亮度蓝光1ED产品。高亮度1ED的市场预计将从1998年的3.86亿美元跃升为2003年的10亿美元。高亮度1ED的应用主要包括汽车照明，交通信号和室外路标，平板金色显示，高密度DVD存储，蓝绿光对潜通信等。在