GaN的制备及其器件使用优质PPT.ppt

1、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（Eg 2.3eV）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

2、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900 cm2.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

3、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

4、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H2 10min,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530 3min,退火 炉温升至1150，时间7min，将低温长的

5、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GaN 2.5m,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12

6、00A.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

7、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,In GaN:Mg,sapphire,GaN,buffer,N-GaN,In GaN well,GaN barrier,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MO Source包括：三甲基镓：trimeth

8、yl gallium（TMGa）：（CH3）3Ga 载气（H2）三乙基镓：triethyl gallium（TEGa）：（C2H5）3Ga 载气（N2）三甲基铟：trimethyl indium（TMIn）：（CH3）3In 载气（N2）三甲基铝：trimethyl aluminium 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L ED,GaN/InGaN MQW LD 结构,GaN/InGaN MQW LD 结构,N

9、 ichia公司GaN 蓝光LD 室温下2mW 连续工作的寿命突破10000h.,（a）GaN MESFET 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,1 million dollar,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.,Thank You!,