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  • GaN材料的特性与应用,GaN发展历程及前景

    转载自:光学网 作者:led灯 Tags:gan 特性
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    一、前言

    GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点,是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料,并与SIC、金刚石等半导体材料一起,被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好(几乎不被任何酸腐蚀)等性质和强的抗辐照能力,在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景.
    钎锌矿GaN和闪锌矿GaN的特性

    表1钎锌矿GaN和闪锌矿GaN的特性

    二、 GaN材料的特性

    GaN是极稳定的化合物,又是坚硬的高熔点材料,熔点约为1700℃,GaN具有高的电离度,在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的(0.5或0.43)。在大气压力下,GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。它在一个无胞中有4个原子,原子体积大约为GaAs的一半。因为其硬度高,又是一种良好的涂层保护材料。

    2.1GaN的化学特性

    在室温下,GaN不溶于水、酸和碱,而在热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶解。NaOH、H2SO4和H3PO4能较快地腐蚀质量差的GaN,可用于这些质量不高的GaN晶体的缺陷检测。GaN在HCL或H2气下,在高温下呈现不稳定特性,而在N2气下最为稳定。

    2.2GaN的结构特性

    表1列出了纤锌矿GaN和闪锌矿GaN的特性比较。

    2.3GaN的电学特性

    GaN的电学特性是影响器件的主要因素。未有意掺杂的GaN在各种情况下都呈n型,最好的样品的电子浓度约为4×1016/cm3。一般情况下所制备的P型样品,都是高补偿的。

    很多研究小组都从事过这方面的研究工作,其中中村报道了GaN最高迁移率数据在室温和液氮温度下分别为μn=600cm2/v·s和μn= 1500cm2/v·s,相应的载流子浓度为n=4×1016/cm3和n=8×1015/cm3。近年报道的MOCVD沉积GaN层的电子浓度数值为4 ×1016/cm3、<1016/cm3;等离子激活MBE的结果为8×103/cm3、<1017/cm3。

    未掺杂载流子浓度可控制在1014~1020/cm3范围。另外,通过P型掺杂工艺和Mg的低能电子束辐照或热退火处理,已能将掺杂浓度控制在1011~1020/cm3范围。

    2.4GaN的光学特性

    人们关注的GaN的特性,旨在它在蓝光和紫光发射器件上的应用。Maruska和Tietjen首先精确地测量了GaN直接隙能量为3.39eV。几个小组研究了GaN带隙与温度的依赖关系,Pankove等人估算了一个带隙温度系数的经验公式:dE/dT=-6.0×10-4eV/k。 Monemar测定了基本的带隙为3.503eV±0.0005eV,在1.6kT为Eg=3.503+(5.08×10-4T2)/(T-996) eV。

    另外,还有不少人研究GaN的光学特性。

    三、GaN材料生长

    GaN材料的生长是在高温下,通过TMGa分解出的Ga与NH3的化学反应实现的,其可逆的反应方程式为:

    Ga+NH3=GaN+3/2H2

    生长GaN需要一定的生长温度,且需要一定的NH3分压。人们通常采用的方法有常规MOCVD(包括APMOCVD、LPMOCVD)、等离子体增强MOCVD(PE—MOCVD)和电子回旋共振辅助MBE等。所需的温度和NH3分压依次减少。本工作采用的设备是AP—MOCVD,反应器为卧式,并经过特殊设计改装。用国产的高纯TMGa及NH3作为源程序材料,用DeZn作为P型掺杂源,用(0001)蓝宝石与(111)硅作为衬底采用高频感应加热,以低阻硅作为发热体,用高纯H2作为MO源的携带气体。用高纯N2作为生长区的调节。用HALL测量、双晶衍射以及室温PL光谱作为GaN的质量表征。要想生长出完美的GaN,存在两个关键性问题,一是如何能避免NH3和TMGa的强烈寄生反应,使两反应物比较完全地沉积于蓝宝石和Si衬底上,二是怎样生长完美的单晶。为了实现第一个目的,设计了多种气流模型和多种形式的反应器,最后终于摸索出独特的反应器结构,通过调节器TMGa管道与衬底的距离,在衬底上生长出了GaN。同时为了确保GaN的质量及重复性,采用硅基座作为加热体,防止了高温下NH3和石墨在高温下的剧烈反应。对于第二个问题,采用常规两步生长法,经过高温处理的蓝宝石材料,在550℃,首先生长250A0左右的GaN缓冲层,而后在1050℃生长完美的GaN单晶材料。对于 Si衬底上生长GaN单晶,首先在1150℃生长AlN缓冲层,而后生长GaN结晶。生长该材料的典型条件如下:

    NH3:3L/min

    TMGa:20μmol/minV/Ⅲ=6500

    N2:3~4L/min

    H2:2<1L/min

    人们普遍采用Mg作为掺杂剂生长P型GaN,然而将材料生长完毕后要在800℃左右和在N2的气氛下进行高温退火,才能实现P型掺杂。本实验采用 Zn作掺杂剂,DeZ2n/TMGa=0.15,生长温度为950℃,将高温生长的GaN单晶随炉降温,Zn具有P型掺杂的能力,因此在本征浓度较低时,可望实现P型掺杂。

    但是,MOCVD使用的Ga源是TMGa,也有副反应物产生,对GaN膜生长有害,而且,高温下生长,虽然对膜生长有好处,但也容易造成扩散和多相膜的相分离。中村等人改进了MOCVD装置,他们首先使用了TWO—FLOWMOCVD(双束流MOCVD)技术,并应用此法作了大量的研究工作,取得成功。双束流MOCVD生长示意图如图1所示。反应器中由一个H2+NH3+TMGa组成的主气流,它以高速通过石英喷平行于衬底通入,另一路由H2+N2 形成辅气流垂直喷向衬底表面,目的是改变主气流的方向,使反应剂与衬底表面很好接触。用这种方法直接在α—Al2O3基板(C面)生长的GaN膜,电子载流子浓度为1×1018/cm3,迁移率为200cm2/v·s,这是直接生长GaN膜的最好值。

    四、GaN材料的应用

    4.1GaN基新型电子器件
    双气流MOCVD生长GaN装置

    图1双气流MOCVD生长GaN装置

    GaN基器件与CaAs及SiC器件的性能比较

    图2GaN基器件与CaAs及SiC器件的性能比较


    以发光效率为标志的LED发展历程


    GaN材料系列具有低的热产生率和高的击穿电场,是研制高温大功率电子器件和高频微波器件的重要材料。目前,随着 MBE技术在GaN材料应用中的进展和关键薄膜生长技术的突破,成功地生长出了GaN多种异质结构。用GaN材料制备出了金属场效应晶体管(MESFET)、异质结场效应晶体管(HFET)、调制掺杂场效应晶体管(MODFET)等新型器件。调制掺杂的AlGaN/GaN结构具有高的电子迁移率(2000cm2/v·s)、高的饱和速度(1×107cm/s)、较低的介电常数,是制作微波器件的优先材料;GaN较宽的禁带宽度(3.4eV) 及蓝宝石等材料作衬底,散热性能好,有利于器件在大功率条件下工作。图2示出了GaN电子器件的性能与GaAs和SiCMESFET的比较,从图中可以很好地看到GaN基电子器件具有很好的应用前景。

    4.2GaN基光电器件

    GaN材料系列是一种理想的短波长发光器件材料,GaN及其合金的带隙复盖了从红色到紫外的光谱范围。自从1991年日本研制出同质结GaN蓝色 LED之后,InGaN/AlGaN双异质结超亮度蓝色LED、InGaN单量子阱GaNLED相继问世。目前,Zcd和6cd单量子阱GaN蓝色和绿色 LED已进入大批量生产阶段,从而填补了市场上蓝色LED多年的空白。以发光效率为标志的LED发展历程见图3。蓝色发光器件在高密度光盘的信息存取、全光显示、激光打印机等领域有着巨大的应用市场。随着对Ⅲ族氮化物材料和器件研究与开发工作的不断深入,GaInN超高度蓝光、绿光LED技术已经实现商品化,现在世界各大公司和研究机构都纷纷投入巨资加入到开发蓝光LED的竞争行列。

    1993年,Nichia公司首先研制成发光亮度超过lcd的高亮度GaInN/AlGaN异质结蓝光LED,使用掺Zn的GaInN作为有源层,外量子效率达到2.7%,峰值波长450nm,并实现产品的商品化。1995年,该公司又推出了光输出功率为2.0mW,亮度为6cd商品化GaN绿光 LED产品,其峰值波长为525nm,半峰宽为40nm。最近,该公司利用其蓝光LED和磷光技术,又推出了白光固体发光器件产品,其色温为6500K,效率达7.5流明/W。除Nichia公司以外,HP、Cree等公司相继推出了各自的高亮度蓝光LED产品。高亮度LED的市场预计将从1998年的 3.86亿美元跃升为2003年的10亿美元。高亮度LED的应用主要包括汽车照明,交通信号和室外路标,平板金色显示,高密度DVD存储,蓝绿光对潜通信等。

    在成功开发Ⅲ族氮化物蓝光LED之后,研究的重点开始转向Ⅲ族氮化物蓝光LED器件的开发。蓝光LED在光控测和信息的高密度光存储等领域具有广阔的应用前景。目前Nichia公司在GaN蓝光LED领域居世界领先地位,其GaN蓝光LED室温下2mW连续工作的寿命突破10000小时。HP公司以蓝宝石为衬底,研制成功光脊波导折射率导引GaInN/AlGaN多量子阱蓝光LED。Cree公司和Fujitsu公司采用SiC作为衬底材料,开发Ⅲ 族氮化物蓝光LED,CreeResearch公司首家报道了SiC上制作的CWRT蓝光激光器,该激光器彩霞的是横

    向器件结构。富士通继Nichia,CreeResearch和索尼等公司之后,宣布研制成了InGaN蓝光激光器,该激光器可在室温下CW应用,其结构是在SiC衬底上生长的,并且采用了垂直传导结构(P型和n型接触分别制作在晶片的顶面和背面),这是首次报道的垂直器件结构的CW蓝光激光器。

    在探测器方面,已研制出GaN紫外探测器,波长为369nm,其响应速度与Si探测器不相上下。但这方面的研究还处于起步阶段。GaN探测器将在火焰探测、导弹预警等方面有重要应用。

    五、.GaN的应用前景

    对于GaN材料,长期以来由于衬底单晶没有解决,异质外延缺陷密度相当高,但是器件水平已可实用化。1994年日亚化学所制成1200mcd的 LED,1995年又制成Zcd蓝光(450nmLED),绿光12cd(520nmLED);日本1998年制定一个采用宽禁带氮化物材料开发LED的 7年规划,其目标是到2005年研制密封在荧光管内、并能发出白色光的高能量紫外光LED,这种白色LED的功耗仅为白炽灯的1/8,是荧光灯的1/2, 其寿命是传统荧光灯的50倍~100倍。这证明GaN材料的研制工作已取相当成功,并进入了实用化阶段。InGaN系合金的生成,InGaN/AlGaN 双质结LED,InGaN单量子阱LED,InGaN多量子阱LED等相继开发成功。InGaNSQWLED6cd高亮度纯绿茶色、2cd高亮度蓝色 LED已制作出来,今后,与AlGaP、AlGaAs系红色LED组合形成亮亮度全色显示就可实现。这样三原色混成的白色光光源也打开新的应用领域,以高可靠、长寿命LED为特征的时代就会到来。日光灯和电灯泡都将会被LED所替代。LED将成为主导产品,GaN晶体管也将随材料生长和器件工艺的发展而迅猛发展,成为新一代高温度频大功率器件。

                  

                  
    作者:LED小知识
    原载: LED照明网
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