gan基基半导体材料光学特性研究(兰州交通大学.doc

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1、1.绪论20世纪90年代以来，由于异质外延缓冲层技术的采用和GaN的P型掺杂技术的突破，从而开辟了GaN通向实际应用的光辉大道，引发了全世界GaN研究的热潮，并已取得了辉煌的成绩。GaN超高亮度蓝、绿光LED已实现商品化。目前研发竞争的焦点主要集中在蓝光LD方面，以及大功率高温半导体器件和微波器件用的材料研制和器件制备技术方面。以GaN为代表的第三代半导体材料被誉为IT产业新的发动机。GaN材料具有许多硅基材料所不具备的优异性能，包括能够满足大功率、高温、高频和高速半导体器件的工作要求。它最重要的物理特点是具有比第一、二代半导体材料更宽的禁带，可以发射波长

2、更短的蓝光和紫光，因此，GaN器件可以广泛地应用于光显示、光存储、激光打印、光照明以及医疗和军事等领域。因此，近几年世界各国政府有关机构、相关企业以及风险投资公司都纷纷加大了对GaN基半导体材料及器件的研发投入。1.1氮化镓材料的发展历程自从1928年GaN首次合成，到1969年成功制备出了GaN单晶晶体薄膜，都一度给这种材料带来了新的希望。很长的一段时间以来，人们一直在寻求和研究GaN体单晶材料和其外延薄膜晶体的生长方法。由于氮化镓体单晶生长极其困难，且单晶直径太小，不能达到实用化的目的，而其薄膜晶体又因缺陷密度和本体施主浓度过高等原因，使Ⅲ族氮化物半导

3、体材料和器件的进展缓慢，一直落后于SiC和ZnSe带隙半导体材料和器件的发展。进入20世纪90年代以后，随着异质外延技术的不断进步，采用缓冲层技术，现在已经可以在一些特定的衬底材料上外延生长得到质量较好的GaN外延层。另外，制备P型GaN的技术难题，也通过对搀入P型杂质的GaN进行低能电子束辐射或进行热处理得以解决。目前，对GaN及其相关Ⅲ族氮化物半导体研究的焦点已集中在蓝光LD及大功率高温半导体器件和微波用材料的研制和器件的制备方面。1.2氮化镓材料的优势和应用GaN材料具有许多硅基材料所不具备的优异性能，包括能够满足大功率、高温、高频和高速半导体器件的

4、工作要求。由于具有优越性的特性，GaN材料以及基于GaN材料的各种器件在近十年中得到了系统和深入的研究。GaN材料主要应用于光学器件如发光二极管(LED)、半导体激光器(LD)、光探测器(PD)；电子器件如高电子迁移率晶体管(HEMT)、肖特基势垒场效应晶体管(MESFET)。AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMTs)在高频高温大功率领域具有十分引人瞩目应用前景。AlGaN/GaN是国际上广泛关注的新型宽禁带化合物半导体材料,具有较宽的禁带宽度(GaN3.4eV,AlN6.2eV),较高的击穿场强(1～3×1010V/cm),高电子饱和漂移速率(2

5、.2×1010cm/s),良好热稳定性。与此同时,AlGaN/GaN异质结具有较大的导带不连续性,注入效率较高,界面处又有强烈的自发极化与压电极化效应,2DEG可达到很高的电子密度(不掺杂可达1013cm-2)因此,凭借优良的材料特性及制作工艺的提高,GaN基器件可达到比GaAs器件大5～10倍的微波功率密度。目前国际上报道GaN单指HEMTs器件10GHz下连续波功率密度可达10.7W/m2,PAE约40%。在20GHz下,0.3μm器件CW测试功率密度可达到3W/m2,PAE约为22.5%。SiC衬底GaN单指器件fT大于160GHz,蓝宝石衬底fT大

6、于110GHz。我国的GaN器件研究工作开展得较少。氮化镓是继第一代硅、锗（Ge）和第二代砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等材料以后的第三代新型半导体材料，具有大禁带宽度、高临界场强、高热导率、高载流子饱和速率、异质结界面二维电子气浓度高等特性，其品质因素远远超过了硅和砷化镓，因而成为制造高功率、高频电子器件、短波长光电子器件、高温器件和抗辐照器件最重要的半导体材料。其中，GaN由于其材料特性相对其它竞争者更具优势，各种材料特性对比如表1.1所示表1.1几种半导体材料特性参数材料迁移率介电常数禁带宽度热导率BaligaJohon(cm2/V·s)(eV

7、)(W/cm·K)优值优值Si130011.41.11.51.01.0GaAs500013.11.40.469.63.5SiC2609.72.93.53.160GaN15009.53.41.724.680此外GaN基器件具备很多优点，可总结为表1.2。第一列是对任何功率器件技术的性能要求，第二列是可以满足前面要求的GaN基器件特性，第三列是采用GaN器件可以达到的系统级性能优势。表1.2GaN基器件的优点与系统需求技术要求GaN基器件可用特性系统级性能优势高功率/单位栅宽禁带宽，能承受高电场强度面积小，易匹配高工作电压击穿电场高消除/减小电压转换高线性HE

8、MT结构频带分布优化高频率2DEG迁移率高频带宽，微波/毫米波高效