【精品】GaN材料的特性与应用.doc

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1、GaN材料的特性与应用2006-6-151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。「rcoixmnarT-

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4、2tnc(300k)^345・VE<(300h)(T二300k)41ft/(dT)•-SOX10-4«T/k(T-300k)die/(W2X10-•R・3I89ms^0.5185mAO.452m~4SSuia^O454»ear0.4531—=0・45m^0.4S2bi005mr醪*系救(T二300h)Zk/*S59XtO*6kZk/e-3HX

5、0-6kB^1.3ff/cekM(ltV)=2.33■二(3.38”)立・67介电宅裁g295<0巧・3$4电子■E.20-0.02e0声子•式Cr-300k)A!(TO)二illff0)=560e•-1E21445«9ee-Hl(LO)*7I

6、Oee-IE!0j0)=741«-1740ca・1403“・1衣1钎锌矿GaN和闪锌矿GaN的特性2GaN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°C,GaNX有高的电离度，在III—V族化合物中是报高的（0.5或0.43）o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--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，而在热的碱溶液屮以非常缓慢的速度溶解。NaOH、H2SO4和H3PO4能较快地腐蚀质最差的GaN,可用于这吐质量不高的GaN晶体的

7、缺陷检测。GmN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索。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4x1016/cm3o—般情况下所制备的P型样品，都是高补偿的。很多研究小纽都从事过这方而的研究工作，其中中村报道了GaN®高迁移率数据在室温和液氮温度下分别为pn=600cm2/v-s和“二1500cm2/v-s,相应的载流子浓度为n=4x1016/cm3和n=8x1015/cm3°近年报道的MOCVD沉积Ga

8、N层的电子浓度数值为4x1016/cm3><1016/cm3；等离子激活MBE的结果为8x103/cm3><1017/cm3o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，己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3.39eV0儿个小纟I［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=-6.0x10-4eV/k

9、=Monemar测定了基本的带隙为3.503eV±0.0005eV,在1.6kT为Eg=3.503+(5.08x10-4T2)/(T-996)eVo另外，还胁簧偃搜芯總aN的光学特性。3GaN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，英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)和电子冋旋共振辅助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—M

10、OCVD,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，以低阻硅作为发热休，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、双品衍射以及室温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