GaN半导体材料综述功能纳米材料.docx

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GaN半导体材料综述功能纳米材料

GaN半导体材料综述--功能纳米材料

GaN半导体材料综述

课程名称:

纳米功能材料与器件

学生姓名:

XX

学院:

新材料技术研究院

学号:

XXXX

班级:

XXXX

任课老师:

顾有松

评分:

2015-12

0.77eV到6.2eV的连续变化，其发光波长实现200nm～656nm的连续变化，覆盖了整个可见光区和近紫外光区，所以，非常适合制作各种发光器件，有可能成为太阳能光伏产业的重要材料。

1GaN材料的制备

要研发与制备高质量、高性能的InGaN/GaN器件，首先就要制备出高质量的GaN材料。

GaN在高温下分解为Ga和N2，常压下无法融化，只有在2200℃以上，6GPa以上的N2压力下才能使GaN融化，所以传统直拉法和布里奇曼法都不能用来生长GaN单晶[3]。

至今，GaN材料的获得仍然以异质外延技术生长为主，即通过在其它晶体衬底上实现。

近年来，又有出现了一些较为简单的方法，包括磁控溅射、溶胶一凝胶、脉冲激光沉积和电泳沉积等。

在GaN材料的外延生长方面，应用最广泛的外延生长技术主要有：

金属有机化学气相外延技术（MOCVD）、分子束外延（MBE）、氢化物气相外延（HVPE）[4]。

下面对这三种生长技术作简要概述。

1.1金属有机化学气相外延技术（MOCVD）

金属有机化学气相外延又称为金属有机气相外延（MOVPE），是一种利用有机金属热分解反应进行气相外延生长薄膜的化学气相沉积技术，是在薄膜生长的众多技术中最经常运用的技术之一，是目前生长Ⅲ族氮化物多层结构最主流的方法，也是目前唯一能制备出高亮度氮化物发光二极管并用于规模化商业生产的生长技术。

该方法以三甲基镓（TMGa）为有机镓源，氨气为氮源并以H2和N2或者这种两种气体的混合气体为载体，将反应物载入反应腔并在一定温度下发生反应，生成相应薄膜材料的分子团，在衬底表面上吸附、成核、生长，最后形成所需的外延层。

此外，该沉积系统不需要超高真空，反应室可以扩展且设备维护简单，己被广泛应用于大面积、多片GaN外延片的工业生产中。

MOCVD法外延GaN的技术已经被广泛应用并部分实现产业化，但是仍存在一些制约因。

首先，MOCVD设备本身价格非常昂贵，生产所使用的原料价格也非常昂贵且毒性大；其次，同HVPE一样需要较高温度使氨气发生解离，这就容易引起薄膜出现氮空位、碳污染以及内应力，从而影响薄膜的质量[5]。

1.2分子束外延（MBE）

分子束外延（MBE）是一种实验室常用的生长III族氮化物的传统方法，但其发展远落后于MOCVD技术，目前还处于发展的前期阶段。

图3-1为MBE生长的简单示意图[6]。

在高真空环境中反应物以分子束或者原子束的形式直接射到衬底上，经过氮化反应，生长具有一定趋向性的GaN薄膜。

目前，采用MBE技术生长GaN材料主要有两种方法，其一为气源分子束外延（GSMBE），以单质金属Ga为Ga源，NH3为N源，在衬底表面发生化学反应形成GaN。

这种方法的优点是生长温度较低，但较低的温度同样也会带来不利的影响，NH3的分解率很低导致与Ga源的反应速率很慢，产物内部分子移动性较差，晶体薄膜的质量不好。

其二是金属有机分子束外延（MOMBE），以三甲基镓为Ga源以等离子体或离子源产生的N束流为N源，在衬底上形成GaN。

这种方法解决了在低温条件下NH3的分解率低的问题，获得的GaN薄膜的晶体质量较好。

图3-1MBE系统示意图[6]

MBE与MOCVD相比，它可以在较低温度下（500℃-800℃）实现GaN的生长，因此可以选用容易产生热损伤的材料如GaAs、γ-LiAlO2等作为衬底材料，但由于其生长速率低并且需要极高的真空度，因此不适合应用于工业生产。

1.3氢化物气相外延（HVPE）

最早被用来进行GaN外延生长的技术是氢化物气相外延（HVPE）技术。

在氢化物气相外延技术中，III族源材料使用金属镓，V族源材料使用NH3，载气使用氮气，反应气体是HCl。

反应气体和金属镓反应生成GaCl或GaCl3，GaCI与NH3反应生成GaN然后沉积在衬底上。

图3-2为HVPE生长的简单示意图。

HVPE技术的特点是外延生长速度非常快，薄膜的厚度非常难以精确控制，同时反应后生成的尾气会腐蚀设备，所以该方法比较难以获得高质量的GaN薄膜。

经过许多年的研究，人们对HVPE技术进行不断的改进并取得了一定的效果[7]。

图3-2HVPE系统示意图

HVPE技术的优势是设备简单，成本低，生长速率快，可以达到几百微米每小时；利用该方法也能够较容易的实现P型掺杂和n型掺杂；HVPE技术还可以用来生长高质量GaN基激光器材料的同质衬底。

但HVPE技术生长异质结构材料比较困难，因此发展比较缓慢。

2GaN材料的器件构建与性能

GaN材料既具有GaAs、InP等材料的高频率特性，又具有SiC的高击穿电压特性，在兼顾器件的频率和功率方面，优于其他材料，应用前景更好。

开发GaN器件的主要方向是微波器件，如发光二极管、激光器和紫外探测器等[8]。

另外，良好的衬底绝缘性能和散热性能，有利于制作高温、大功率器件。

目前已经成功开发了GaN基MESFET、HEMT、HBT和MOFET等器件[9]。

2.1GaN基发光二极管（LED）

由于LED显色性好、体积小、寿命长、响应速度快和高效节能等优点，己广泛应用在光显示、交通信号灯、照明等领域，被称为新一代“绿色光源”。

随着LED应用的越来越广泛，光显示领域要求其有更好的显色性能，照明领域需要其具有更高的转换效率，极端恶劣环境中的应用要求其具有较好的稳定性等。

GaN作为直接跃迁型半导体材料，具有禁带宽度大、电子饱和速率高、击穿电场高、热导率高以及物理化学性质稳定等优点，被认为是制作LED器件的最佳材料。

IMSResearch预测分析，在LED电视、显示屏和普通照明领域，GaN（蓝/绿）LED的市场份额将快速增长。

图4-1GaN多量子阱蓝色发光二极管结构示意图

图4-1为GaN多量子阱蓝色发光二极管结构示意图。

为了提高LED的发光效率和纯度，目前人们主要采用多量子阱结构作为发光区。

2009年Q.Dail[1]等人采用InGaN/GaN多量子阱结构的LED，其位错密度只有5.3×108cm-2，内量子效率高达64％。

目前商业生产中的LED均采用多量子阱结构。

随着LED技术的不断发展和各国政策的大力支持，LED将会有巨大的市场前景。

2.2GaN基激光二极管（LD）

在研究更高效GaN基蓝、绿光LED的同时，蓝光LD器件的开发也成为研究的重点，在信息的高密度光存储领域的应用较其它的激光器有着明显的优势，其存储密度能够达到1Gbs/cm2。

日本Nichia公司在1996年先后实现了在室温条件下电注入GaN基LD脉冲和连续工作；Cree-Research公司最先实现了SiC上横向器件结构的蓝光激光器;富士通在此基础上成功研制了可在室温下连续激射的InGaN蓝光LD，为GaN基蓝光LD的大规模应用提供了有力的技术支持。

GaN基蓝光LD的开发，使激光点径缩小40％左右，提高存储容量至少4倍以上。

由于蓝光LD的市场潜力极大，许多大公司和研究机构都纷纷加入到开发GaN蓝光LD的行列中。

此外，蓝光LD在水下光通信、探测器、激光打印、材料加工和环境污染监控等领域同样具有广阔的应用前景。

2.3GaN基电子器件

GaN具有热导率高、击穿电场高、载流子浓度高等优良性能，可以被用来制作微波高频器件及大功率高温电子器件。

同GaAs器件相比，GaN的功率密度是其10倍。

目前，随着MBE、MOCVD等外延技术的发展，通过生长多种GaN异质结构己成功开发GaN基MESFET、MODFET、HFET等场效应晶体管，在航空、石油勘探、自动化、通信等领域必将发挥着不可或缺的重要作用。

2.4GaN基紫外光探测器

与SiC、金刚石等半导体材料相比，GaN应用于紫外光探测器有诸多优势，如较高的量子效率、信号陡峭、噪声低、边带可调等优势，从而可以很好的提高紫外光探测的灵敏度；GaN作为直接带隙可调的III族氮化物，在365nm紫外光波段有很敏锐的截止响应特征，在制作器件时可以降低对滤波器的要求;同时GaN基紫外光探测器在200-400nm的波段能够实现对太阳盲区的紫外光探测，并且不受长波辐射的影响。

因此GaN基紫外光探测器被广泛应用于空间通讯、臭氧监测、水银灯消毒监控、污染监测、激光探测器和火焰传感等方面。

3结论

本文对GaN材料进行了系统的介绍，对GaN材料的有了进一步的认识与了解。

GaN材料的制备方法是丰富多样的，每种方法都有各自的优点和局限。

GaN具有非常稳定的物理性质和化学性质，其良好的电学性质使得它非常适合制作各种发光器件，有可能成为太阳能光伏产业的重要材料。

它因其光学特性而被广泛的用来制作发光二极管（LED）和激光二极管（LD）。

在器件方面，还有GaN基电子器件、GaN基紫外光探测器等。

总之，随着计算材料科学的不断完善和实验技术的不断改进，GaN材料的研究必将取得更大的突破，在照明、显示、光探测、信息存储、航空航天等诸多领域的应用将会更加广泛。

参考文献

[1]冯庆.GaN纳米线的制备及特性研究[D].西安电子科技大学,2013.

[2]翟化松.GaN及其掺杂材料的合成与性能研究[D].太原理工大学,2014.

[3]任孟德,秦建新,王金亮,等.GaN材料的应用及研究进展[J].超硬材料工程,2013,25（04）:

34-38.

[4]蒋永志.GaN基蓝光LED的光学特性研究[D].山东大学,2012.

[5]张冠英,梅俊平,解新建.MOCVD外延生长GaN材料的技术进展[J].半导体技术,2010,35（03）:

201-204.

[6]相崎尚昭,吴明华.分子束外延装置[J].微细加工技术,1990,

（1）:

56-62.

[7]MoonJY,KwonHY,ShinMJ,etal.GrowthbehaviorofGaNnanoneedleswithchangingHCl/NH3flowratio[J].MaterialsLetters,2009,63（30）:

2695–2697.

[8]李振勇.GaN掺杂系统电子结构和光学性质的理论研究[D].曲阜师范大学,2010.

[9]徐永宽.GaN体单晶生长技术研究现状[J].半导体技术,2007,（02）:

101-105.

[10]DaiQ,SchubertMF,KimMH,etal.InternalquantumefficiencyandnonradiativerecombinationcoefficientofGaInN/GaNmultiplequantumwellswithdifferentdislocationdensities[J].AppliedPhysicsLetters,2009,94（11）:

111109-111109-3.