半导体材料的华丽家族—GaN材料

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1、%或沦夂题目：半导体材料的华丽家族一GaN材料年级：2010级专业：材料科学与工程专业学号：261080026学生姓名：林芳指导教师：郑兴华2011年12月11口半导体材料的华丽家族一GaN材料摘要自从蓝色GaN/GalnNLEDs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。以高亮度GaN基白光LED为核心的半导体照明技术对照明领域带来了很大的冲击，并成为目前全球半导体领域研究和投资的热点。本文首先综述了GaN材料的基本特性、制备、以及GaN基白光LED的特点、合成与发展前景。关键词：GaN,半导体材料，低色温、高显色，白光LED目录「绪论1

2、1.1GaN的背景11.2GaN的基本特性11.3GaN材料的制备21.3.1材料的选择21.3.2GaN外延材料的生长21.4GaN基器件的应用和市场前景42.GaN基--低色温、高显色白光LED42.1白光LED的特点42.2白光LED的合成42.3LED的未来发展与展望63•致谢74.参考文献81•绪论1.1GaN的背景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>GeiP>InAs、AlAs及其合金等称为第二代电子材料；宽禁带(Eg>2.3eV)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

3、.金刚石和GaN等。在第三代半导体材料屮，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Z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的晶格失配高达14%)、位错密度太大(约为ZnSe材料的10?倍)、「型本底浓度太高(>1018/cm3)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

4、材料，因而发展十分缓慢。进入90年代Z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。1.2GaN的基本特性HI族氮化物,主要包括GaN、AIN、InN(Eg<2.3V)、AlGaN、GalnN、AlInN和AlGalnN等,同第一、二代电子材料相比［表1-1］,第三代半导体材料具有禁带宽度大(覆盖了红、黄、绿、蓝、紫和紫外光谱范围)，电子漂移饱和速度高，介电常数小，导热性能好等特点。材料带隙类型蔡带宽度/eV熔点/C热导率/(W・cnr1・K」)电子迁移率/(cm:-V-1-s4'

5、)介电常数饱和速率/(an•5')(1)SiftGaAsSi间接L11914201.401350119IX10丁GaAs直接L4281238a54800013182XI07(2)宽帯隙半导体材*sc间接29942830491000972XI07金刚石间接5540002022005527XI07ZnSefi接2581500—10081—GaN口接3361700I59008925XI07［表1-1］Si、GaAs和宽带隙半导体材料的特性对比在通常条件下，它们以六方对称性的铅锌矿结构存在，但在一定条件下也能以立方对称性的闪锌矿结构存在。两种结构的主要差别在于原子层的

6、堆积次序不同，因而电学性质也有显著差别。［表1-2］给出了两种结构的AIN、GaN和InN在300K时的带隙宽度和晶格常数。ANGaNhN纤锌矿结构带除宽度62339L品格帘数"/nmQ311203189Q3548iln楼?if数c/nmQ4982(J5185Q5760闪锌矿结构带琼宽度沧VS113P33o2晶格帑数/nm04380452(1498［表1-2］两种结构AIN、GaN、InN的带隙宽度和晶格常数(300K)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，其融点较高，约为1700C。GaN的电学性质是决定器件性能的主要因素。电子室

7、温迁移率目前可以达900cm2(V•s)o在蓝宝石衬底上生长的非故意掺杂的GaN样品存在较高OlO^/cm3)的n型本底载流子浓度。GaN材料具有许多硅基材料所不具备的优异性能，包括能够满足人功率、高温、高频和高速半导体器件的工作要求。1.3GaN材料的制备1.3.1材料的选择制备高质量的GaN体单晶材料和薄膜单晶材料，是研究开发族氮化物发光器件、电子器件以及保证器件性能和可靠性的前提条件。因为GaN的融点高，所以很难采用熔融的液体GaN制备体单晶材料，即使采用了高温、高压技术，也只能制备出针状或小尺寸的片状GaN晶体。目前仍在开展生长大尺寸GaN体单晶材料的

8、研究工作。随着异质外延技术的不断进步,