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《GaN-第三代半导体的曙光》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第20卷第2期 半 导 体 学 报 Vol.20,No.21999年2月 CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSFab.,1999GaN——第三代半导体的曙光梁春广 张 冀(电子工业部第十三研究所 石家庄 050051)摘要 自从蓝色GaNöGaInNLEDs研制成功之后,氮化物逐渐成为化合物半导体领域中一颗耀眼的新星.简要介绍了GaN的基本特性.探讨了材料的生长技术,包括衬底的选择和外延方法.最后给出了GaN基器件,如LEDs、LDs、FETs和探测器等的发展现状,同时
2、描绘了氮化物器件的应用领域和未来的发展前景.PACC:7200,72801 引言在半导体产业的发展中,一般将Si、Ge称为第一代电子材料;而将GaAs、InP、GaP、InAs、AlAs及其合金等称为第二代电子材料;宽禁带(Eg>213eV)半导体材料近年来发展十分迅速,成为第三代电子材料,主要包括SiC、ZnSe、金刚石和GaN等.同第一、二代电子材料相比(表1),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
3、以制作蓝、绿光和紫外光的发光器件和光探测器件.表1Si、GaAs和宽带隙半导体材料的特性对比禁带宽度热导率电子迁移率饱和速率材料带隙类型熔点ö℃介电常数öeVö(W·cm-1·K-1)ö(cm2·V-1·s-1)ö(cm·s-1)(1)Si和GaAsSi间接1.11914201.40135011.91×107GaAs直接1.42812380.54800013.182×107(2)宽带隙半导体材料SiC间接2.99428304.910009.72×107金刚石间接5.540002022005.52.7×107ZnSe直接2.58150
4、0—1008.1—GaN直接3.3617001.59008.92.5×107在宽禁带半导体材料中,SiC和ZnSe在相当长的一段时间内一直是研究和开发的重点,尽管SiC为间接带隙材料,其蓝色LEDs的发光亮度很低,但SiC蓝色LEDs在GaN蓝光LEDs实现商品化之前仍是唯一的商品化的蓝光LEDs产品;而ZnSe材料由于实现蓝光LDs(寿命约为几个小时),更是成为世界各大公司和研究机构的掌上明珠.GaN材料由于受到没有合适的单晶衬底材料(蓝宝石衬底与GaN的晶格7183)失配高达14%)、位错密度太大(约为ZnSe材料的10倍)、n
5、2型本底浓度太高(>10öcm和无法实现p2梁春广 男,研究员,中国工程院院士,从事半导体器件的研究和开发1998209208收到本文©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.90 半 导 体 学 报 20卷型掺杂等问题的困扰,曾被认为是一种没有希望的材料,因而发展十分缓慢.进入90年代之后,随着材料生长和器件工艺水平的不断发展和完善,GaN基器件的发展十分迅速,目前已经成为宽带隙半导体材料中一颗十分耀眼的新星.首先是在蓝
6、、绿光发光器件领域取得重大突破.1989年Nichia公司每年投入三百多万美元用于开发GaN基蓝光LEDs,并很快结出硕果,1991年Nichia公司的Nakamura等人首先以蓝宝石为衬底,研制成掺Mg的GaN同质结蓝光LEDs,1993年将蓝光发光亮度提高到1cd,1995年达到2cd,并于同年实现绿光LEDs的商品化,其亮度达到6cd.1995年11月,在由材料研究会(MRS)主办的第一届GaN及其相关材料国际学术会议中,Nakamura展示了用于交通信号灯的LEDs,引起全世界的重视,英国《新科学家》周刊以“东京的车辆将在明
7、亮的灯光照耀下行驶”的醒目标题对此加以报道.在1997年,Nichia公司研制成功连续波工作寿命超过10,000小时的蓝光LDs,更引起了全世界的关注.在电子器件领域,UCSB大学研制的GaNMODFET的施主层厚度仅有20nm,减小了器件的输入电容,使得012Lm栅长器件的fT达到50GHz,在10GHz工作下的功率密度为117Wömm,器件性能超过用其它材料制作的HEMT.南卡罗来纳州立大学等以SiC为衬底研制的HFET的跨导为142mSömm,室温下2的功率耗散为016MWöcm,比以蓝宝石为衬底的同类器件高3倍.APA光学公
8、司在1998年初推出了世界上第一个商品化的GaN基UV探测器系列,同传统的Si探测器相比,GaN探测器在可见光范围内的工作要有效得多,而且可以在300℃的高温环境中工作.随着蓝、绿光LEDs实现商品化,目前开发GaN器件的焦点更多的集
