GaN的制备及其器件使用优质PPT.ppt

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梁春广,张冀.GaN第三代半导体的曙光J.半导体学报,1999,20

（2）:

89-99.,content,1引言2GaN的基本性质3GaN材料的制备4GaN基器件5GaN基器件的应用和市场前景6结语,1引言,半导体材料,第三代宽禁带（Eg2.3eV）半导体材料：

SiC、ZnSe、AlN、BN、金刚石和GaN等,第二代：

GaAs、InP、GaP、InAs、AlAs及其合金等,第一代：

Si、Ge,Si、GaAs和宽带隙半导体材料的特性对比,同第一、二代电子材料相比,宽禁带半导体材料具有禁带宽度大,电子漂移饱和速度高,介电常数小,导热性能好等特点,非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件;

而利用其特有的禁带宽度,还可以制作蓝、绿光和紫外光的发光器件和光探测器件.,2GaN的基本性质,两种结构AlN、GaN、InN的带隙宽度和晶格常数（300K）,GaN是GaN基半导体材料中的基本材料,是目前研究最多的族氮化物材料。

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,其熔点较高,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达900cm2.V-1.s-1。

较好的GaN材料的n型本征载流子浓度可以降到1016/cm3左右。

由于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型本征浓度太高和无法实现p型掺杂等问题的困扰,曾被认为是一种没有希望的材料。

1988年Akasaki等人通过低能电子束辐照（IEEBI）,实现掺Mg的GaN样品表面p型化。

目前已经可以制备载流子浓度在10111020/cm3的p型GaN材料。

3GaN材料的制备,因为GaN的熔点高，所以难以采用熔融的熔体制备体单晶材料，而必须采用高温高压技术。

但由于在高温生长时氮的离解压很高，目前很难得到大尺寸的体单晶材料。

所以只能在其它衬底上进行异质外延生长。

GaN的部分衬底材料特性,不导电,不能制作电极,解理困难,晶格失配度大,热膨胀系数相差较大,价格昂贵,单晶尺寸太小,

（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.,GaN外延生长,高温除杂反应室炉温升高1200,通入氢气,高温、燃烧除去衬底上的杂质,时间10min。

蓝宝石衬底（4305m）,高温、通H210min,长缓冲层炉温降底控制在530时,在蓝宝石衬底上生长一层300A厚的GaN缓冲层，时间3min。

蓝宝石衬底（430m）,GaN缓冲层300A,GaN外延生长,炉温5303min,退火炉温升至1150，时间7min，将低温长的非晶缓冲层通过高温形成多晶GaN缓冲层。

蓝宝石衬底（430m）,GaN缓冲层300A,1150退火,GaN外延生长,长GaN单晶将炉温控制至1160,在GaN缓冲层上生长一层0.5m厚的GaN单晶。

蓝宝石衬底（430m）,GaN单晶0.5m,GaN外延生长,长N型GaN将炉温控制至1160,长GaN的同时掺Si（浓度5108/cm3）,时间1h。

蓝宝石衬底（430m）,N型GaN2.5m,GaN外延生长,长多量子阱MQW炉温降至750,先长一层InGaN（20A）,接着长一层GaN（140A）,连续长8个InGaN和GaN势阱势垒pair（160A），整个MQW厚度1200A.调整掺In的浓度可调整波长，用时约80min.,蓝宝石衬底（430m）,MQW多量子阱,GaN外延生长,多量子阱结构量子阱为LED的发光区,GaN势垒140A,InGaN势阱20A,1200A,1个pair,GaN外延生长,长P型GaN炉温升至930,长GaN的同时掺Mg（浓度51019/cm3）,长2000A厚,时间20min。

长接触层炉温降至800,长GaN的同时掺Mg（浓度1020/cm3）,长150A厚,时间2min。

激活炉温降至600,加热20min,打破MgH键,激活Mg的导电性。

降温炉温降至150，时间30min。

蓝宝石衬底（430m）,GNa,NGaN,P型GaN,3.4m,GaN外延生长,蓝宝石基板,缓冲层,氮化镓,N-Type-氮化镓-硅掺杂,（氮化镓/氮化铟镓）x5-浅阱结构,（氮化镓/氮化铟镓）x8-量子阱结构,P-Type-氮化铝镓-电流阻挡层,P-Type-氮化镓-镁掺杂,P-Type-氮化铟镓-金属接触层,蓝宝石基板,结晶前,结晶后,InGaN:

Mg,sapphire,GaN,buffer,N-GaN,InGaNwell,GaNbarrier,P-GaN:

Mg,Al-GaN:

Mg,外延结构示意图,外延生长的原辅材料,基片：

蓝宝石载气：

H2，N2反应剂：

NH3，SiH4，MO源MOSource包括：

三甲基镓：

trimethylgallium（TMGa）：

（CH3）3Ga载气（H2）三乙基镓：

triethylgallium（TEGa）：

（C2H5）3Ga载气（N2）三甲基铟：

trimethylindium（TMIn）：

（CH3）3In载气（N2）三甲基铝：

trimethylaluminium载气（H2）（TMAl）：

（CH3）3Al二茂镁：

Magncsocenc;

bis（cyclopentadienyl）magnesium（Cp2Mg）：

Mg（C5H5）2载气（H2）,4GaN基器件,GaN同质结蓝光LED,GaN/InGaNMQWLD结构,GaN/InGaNMQWLD结构,Nichia公司GaN蓝光LD室温下2mW连续工作的寿命突破10000h.,（a）GaNMESFET器件结构示意图;

（b）DC漏特性（栅长1.4Lm,栅宽150Lm）,5GaN基器件的应用和市场前景,对GaN器件的销售额及其所占化合物半导体市场销售额的百分比分析,1milliondollar,交通信号灯中应用白炽灯和高亮度LED的性能比较,火焰探测器,臭氧监测器,污染监测器,血液分析器,激光探测器,UV探测器,6结语,以GaN为代表的族氮化物半导体材料,具有优良的特性,诱人的应用前景和巨大的市场潜力,引来激烈的竞争.因此,它既是科学家争先抢占的高技术领域的制高点,又是企业家等获得巨大利润的战场.,ThankYou!