1、GaN第三代半导体的曙光,专业:材料学学号:姓名:老师:,Source: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
2、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/cm
3、3 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
4、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
5、,炉温530 3min,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
6、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1
7、50,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,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:
8、NH3,SiH4,MO源MO Source包括:三甲基镓:trimethyl 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/I
9、nGaN MQW LD 结构,GaN/InGaN MQW LD 结构,N 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!,
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