氮化物半导体光源.docx

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氮化物半导体光源

氮化物半导体光源

课题名称：

氮化物半导体光源

成员:

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专业：

光电信息工程

时间：

2012年12月25日

氮化物半导体光源

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1.引言

近年来，以GaN为代表的宽带隙半导体的发展异常迅速，成为半导体领域研究和开发的新热点。

其实应用于器件并真正起作用的是三元化合物A1GaN、GaInN、AlInN及其构成的半导体微结构材料。

目前，GaN材料制作的短波长发光器件己取得了令世人瞩目的进展利用GaN材料制作耐高温的高频大功率器件是另一个重要的发展方向。

2.简介

在半导体行业的发展进程中，人们通常把Si和Ge元素半导体称为第一代电子材料，把GaAs、InP、InAs等化合物半导体称为第二代半导体材料，而把Ⅲ族氮化物（包括GaN、相关化合物InN、AlN及其合金）、SiC、InSe、金刚石等宽带隙的化合物半导体称为第三代半导体材料，优良的光、电特性、良好的机械性质及其特有的带隙范围，使其在光电器件、大功率、器件中有着极其广泛的应用前景。

以GaN为代表的带隙范围，可以形成从InN的1。

9eV到GaN的3。

4eV，其相对应的直接带隙波长覆盖了从红、黄、绿到紫外光的范围，可以实现半导体发光器件的发光波长覆盖全部可见光的范围，就可实现图像的全色显示，并扩展到许多其它领域。

由于氮化镓单晶生长极其困难，且单晶直径太小，不能达到实用化的目的。

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。

3.基本结构和性质

Ш族氮化物，主要包括GaN、AlN、InN（Eg<213V）、AlGaN、GaInN、AlInN和AlGaInN等，其禁带宽度覆盖了红、黄、绿、蓝、紫和紫外光谱范围。

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。

实验上观察到纤锌矿的结构相是较为稳定的，立方的闪锌矿结构相是较不稳定的，并且只有在立方结构的母体上生长时才能被观察到，比如GaAs母体等。

表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。

GaN是Ш族氮化物中的基本材料，也是目前研究最多的Ш族氮化物材料。

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，现在较好的GaN样品的本底n型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样品的技术难题曾经一度限制了GaN器件的发展。

1988年Akasaki等人首先通过低能电子束辐照（IEEBI），实现掺Mg的GaN样品表面p-型化，随后Nakamura采用热退火处理技术，更好更方便地实现了掺Mg的GaN样品的p-型化，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。

但是在In组分较大时，GaInN同GaN或AlN的晶格失配较大，材料生长较为困难。

Ш族氮化物及其合金具有直接宽带隙，这使得其具有导带底和价带顶在布里渊空间的相同点，在这种情况下，跃迁过程中波矢量可以看作是不变的。

在能带图上，初态和末态在同一条竖直线上，因此这样的跃迁也称为直接跃迁。

GaN、InN、AlN都是直接带隙材料，这种直接带隙半导体与导带底和价带顶在布里渊空间不同点的间接带隙半导体相比，其发光效率要大得多，因此制作利用电子-空穴复合发光的光学器件时，一般用的是直接带隙半导体。

半导体材料禁带的直观比较图

4.氮化物半导体光源

4．1宽禁带GaN基半导体激光

从第一个脉冲激射的GaAs激光器到实现室温连续工作，经历了10多年时间，此后为解决GaAs激光器的暗线缺陷衰变即寿命问题又经历了1O年。

而GaN基激光器的发展进程则比GaAs激光器短得多。

日本日亚公司的Nakamura于1995年12月实现了第一个InGaN多量子阱半导体激光器的室温脉冲激射。

l2个月后InGaN多量子阱半导体激光器实现了室温连续激射，1999年1月InGaN基紫光激光器实现了商品化。

CaN中有很多辐射跃迁，人们对其中的激子跃迁尤其感兴趣，因为它产生窄谱线。

因此GaN基激光器若能设计为激发自由激子的辐射复合就比较理想。

但自由激子非常脆弱，仅1×104V/cm的电场就可破坏它。

Nakamura的高亮度蓝光发光管的缺陷高达1×1010～1×1011/cm2，相当于缺陷平均间距为1μm，缺陷和杂质的存在会引起带边局部涨落，这些电势涨落的变化可大于1V，Franz-Keldysh效应会在这样的电场下发生，引起电子隧穿从而破坏组成激子的电子-空穴对。

Nakamura的激光器之所以能工作，其巧妙之处就在于把激子限制在比1μm小得多的InGaN量子阱中。

在蓝宝石衬底上生长的多量子阱GaN/AIGaN分别限制紫光激光器，带解理镜面的LD室温连续工作输出功率可高达4OmW，始终为稳定的基横模。

在60℃、10mW输出功率情况下估计寿命大于2000h，这已接近光存贮和打印的要求。

现在．这种器件的最大输出功率可达420mw，阈值电流密度低至1。

2kA/cm2，转变电压4．3V，在线形区的量子效率39％。

最近，又制成波长450nm的CaIN基蓝光激光器，450nmInGaN单量子阱蓝光激光器5mW下室温连续工作寿命达200h，闽值电流密度低至4．6kA/cm2，工作电压6．1V。

4．2氮化物LED的结构

使用Ⅲ族氮化物LED的光子晶体结构，是一种提高光产生效率和方向性的方法。

Ⅲ族氮化物LED的层包括一个隧道结，它提供了良好的横向电流扩散。

一个Ⅲ族氮化物LED相比出口介质空气（n=1）而言，有一个高的光学折射率（n～2。

4）。

折射率差异导致光在半导体板中为受限的光学模式，因此发光效率较

低。

一个标准的Ⅲ族氮化物LED如图所示。

Ⅲ族氮化物材料生长在蓝宝石或碳化硅衬底上（图示中衬底未显示）。

我们用一层薄的Ni/Au散布在p-GaN上面作为电流扩散的导体。

由于全反射的缘故，逃逸圆锥处没有光射出：

1、在p-GaN和镍/金扩散层之间多次反射；2、在外延结构中被吸收；3、从LED芯片的两侧逸出。

把光晶体与Ⅲ族氮化物LED结合则拥有非常优良的发光效率，并且可以控制发光模式。

建模表明，光晶LED的发光效率可以达到90％（射入空气中）。

标准的Ⅲ族氮化物LED有顶部p-GaN层。

实验证明，在Ⅲ-V族LED中使用隧道结的是一种增强横向电流扩散的有效手段。

隧道结LED与标准的P结构LED类似，值得注意的是它多了一个隧道结和一个顶层n-GaN层。

如下图所示。

从图示我们可以看出，标准LED仅仅是点亮了接触面下面部分（无p型氮化镓电流分布），而隧道结装置则能够将电流横向传播到台面的边缘部分，照亮了外上方接触面积。

使用隧道结，photoniccrystal就可以在顶部接触部分的外边形成，从而避免了金属扩散层对光能的吸收。

下图显示了发光效率和正向电压（Vf）对两种类型的LED电流的函数图象。

精确的数字表示，当考虑总发光面积时，两个LED的效率是1。

5倍关系；当考虑在±30°锥角范围内时，效率是的1。

4．3实际应用

①照明光源的技术革命：

新的LED固体照明光源体积小、重量轻、节能、寿命长、方向性好，并可耐各种恶劣条件，它对传统的光源市场造成了巨大的冲击。

据资料介绍，利用超高亮度的LED己可制成最大亮度达500cd／m的白色平板光源，其耗电量仅为相同亮度白炽灯的1O％～20％，而其使用寿命要长10余倍。

目前普遍采用LUCLED技术制造白色LED，就是在封装材料中添加磷光或各种荧光染色物质，该荧光物可在蓝光LED的激励下发射橙黄光，利用蓝光和黄光的混合而产生白光。

②全色动态信息平板显示：

由于高亮度的各色LED的商品化，已可实现全色动态信息的平板显示。

它可广泛地应用于广场、机场、车站、码头、街头和证券厅等处的大型全色显示屏，作为信息发布和广告宣传等用途。

在各色LED中，蓝光LED是关键的器件，其价格最贵。

目前，仅国内的各种显示屏的年交易额就达数亿元之多，而且每年仍以很高的增幅发展。

③蓝光LD大幅增加信息的光存储密度：

波长越短的光线蕴藏能量更高，而且分辨力也越强。

目前，研究开发短波长的Ⅲ族氨化物蓝紫和紫外激光器，它们将主要用于新一代光学数据贮存和新一代的医学工程技术之中。

据报道，Hitachi公司准备利用蓝色激光将单面DVD．ROM的信息记录量提高到14Gb，同时将信息的寻道时间缩短到2O一40ms。

而目前采用的780nm的近红外激光，单面CD．ROM的信息记录量仅为650Mb，其寻道时间为100～150ms。

采用波长更短的635nm或650nm的红色激光，单面DVD，ROM的信息记录量可达到4．7Gb。

5.氮化物半导体材料的制备

上文已经提到，现在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。

5．1异质外延GaN衬底材料的选择

在选择衬底材料时通常考虑的因素如下:

尽量采用同一系统的材料作为衬底；晶格失配度越小越好；材料的热膨胀系数相近；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；材料的尺寸、价格等因素。

（1）蓝宝石（Al2O3）:

是目前使用最为普遍的一种衬底材料。

它具有与纤锌

矿Ш族氮化物相同的六方对称性，也是微电子研究中非常重要和经常使用的一种衬底材料。

目前已经商业化。

（2）SiC:

SiC是另一类非常重要的衬底材料。

同蓝宝石相比，SiC本身即具有蓝光发光特性，且为低阻材料，可以制作电极，其晶格常数和材料的热膨胀系数与GaN材料更为接近，并且易于解理。

但价格昂贵。

（3）GaN:

是最为理想的衬底材料，但目前所能获得的单晶尺寸太小。

（4）AlN:

其与GaN属于同一材料体系，晶格失配只有2%，热膨胀系数相近，是GaN之外的最为理想的衬底材料。

（5）氧化物材料:

如MgO、ZnO、MgAl2O4、LiAlO2等，氧化物材料与GaN的晶格失配小，有些还能制备低阻材料，其中以ZnO最有前途。

5.2GaN外延材料的生长

1、MOVPE（金属有机物汽相外延）：

以NH3为N源，在高温下（通常>1000°C）进行。

是目前Ⅲ族氮化物外延生长使用最多且材料和器件质量最高的生长方法。

优点：

该法生产周期短、生长速率适中、产量大、并可精确地控制膜厚，特别适合于大规模工业化生产。

由于使用NH3作为N源，它与传统的MOCVD技术相比，避免了砷烷和磷烷，其危险性大大降低。

高温对于高熔点GaN外延层和晶体质量有好处。

缺点：

NH3难于裂解并易于发生杂散反应，需要严格控制生长条件并改进设备。

2、反应分子束外延（RMBE）法：

直接以Ga或Al的分子束作为Ⅲ族源，以NH3为N源在衬底表面反映生长。

特点：

低温生长，一般700°C左右，有可能减少N的挥发。

反应速度慢，可以精确控制膜厚，但对于外延层较厚的器件（如LED、LD）的生长时间过长，不能满足大规模工业化生产的要求，适于小规模科研之用。

3、HVPE法：

采用金属GaN作为Ⅲ族源材料，以NH3作为Ⅴ族源材料，以氮气作为载气，以HCL作为反应气体。

在源区，HCL与Ga在850°C下反应生成GaCl，在1050°C的沉淀区，HCL与Ga反应生长出GaN的外延层。

该法在蓝宝石衬底上可快速生长质量较好的GaN材料，生长速度可达每小时几百微米，生长速度快。

但是很难精确控制膜厚，反应气体对设备具有腐蚀性，会影响GaN材料纯度的提高。

参考文献：

[1]GaN——第三代半导体的曙光；梁春广、张冀；《半导体学报》

[2]新型氮化物半导体材料；李思一；《前沿》

[3]氮化物半导体GaN的光辅助湿法腐蚀；章蓓、黄其熠、周大勇、戴伦、张国义；《半导体学报》

[4]氮化物半导体发光器件及其制作方法；美国专利US612163

[5]氮化物半导体的研究进展；蒋荣华、肖顺珍、李艳；维普网络

[6]宽禁带GaN基半导体激光器进展；章蓓；北京大学物理系；《半导体光电》；

[7]利用非极性面的LED和半导体激光器；《科普简讯》