氮化镓基发光二极管

电子学术语

氮化镓基发光二极管，电子学术语，GaN 是一种宽带隙化合物半导体材料，具有发射蓝光、高温、高频、高压、大功率和耐酸、耐碱、耐腐蚀等特点，是继锗、硅和砷化镓之后最主要的半导体材料之一。使得它在蓝光和紫外光电子学技术领域占有重要地位，也是制作高温、大功率半导体器件的理想材料。

1背景介绍

半导体材料的发展

半导体材料作为整个半导体产业的基础,其发展对光电子、微电子产业的发展创造了条件。一般认为,半导体材料的发展经历了三个阶段。通常将硅(Si)和锗(Ge)称为第一代半导体材料。20世纪50年代,锗占据着半导体工业中的主导地位,但由于其抗福射和耐高温能力较差,到20世纪60年代后期逐渐被陆取代。硅是间接带隙半导体材料,其禁带宽度为1.1eV。由于硅的机械性能好、储量丰富、载流子迁移率高等优点被较早发利用,目前在半导体制作工艺中最为成熟,是现代半导体器件、集成电路以及微电子产业的基础材料。由于硅自身的物理化学性质限制,在微电子领域硅难以满足人们对更大信息量的传输需求,在光电子领域它的发光效率很低;但是在光电子领域,娃基发光材料和无源光电子器件展示了硅的巨大潜力和应用前景。

研究背景

Si 和 GaAs 分别为传统半导体材料第一代、第二代的代表。它们的发展推动了微电子技术、光电子技术的发展，以此为基础的信息技术给人类社会和生活带来了翻天覆地的变化。由于材料本身的限制，第一代、第二代半导体材料只能工作在 200℃以下的环境中，而且抗辐射、耐高压击穿性能以及发射可见光波长范围都不能完全满足现代电子技术发展对高温、大功率、高频、高压以及抗辐射、能发射蓝光的新要求。在这种情况下，新型电子器件材料的选择推出了以 GaN 为代表的第三代半导体材料。

GaN作为第三代半导体材料的典型代表，具有禁带宽度大、击穿场强高、饱和电子迁移速率高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强，以及良好的化学稳定性，适合制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件，而且可以制作蓝、绿和紫外发光器件和光探测器件。

目前GaN凭借其出色的物理、化学以及光电性能成为第三代半导体材料的典型代表，GaN行业也成为全球半导体研究的热点和前沿领域，被誉为IT行业的又一“发动机”。尽管GaN行业在近十多年来已取得了一些突破性的进展，如高质量GaN、InGaN外延层的生长，低阻p型GaN的获得等。但缺乏合适的衬底材料一直是GaN行业发展的瓶颈。目前常用的衬底为蓝宝石（晶格失配为13%，热失配34%），致使GaN外延层存在严重的质量问题，如杂质含量高、位错密度大（109/cm）、缺陷多、晶体完整性差等。目前GaN基光电器件的制造技术已经比较成熟并且已经初步商品化。其电子器件GaN HEMT拥有出色的功率特性，但仍没有实现商品化，除了与其相竞争的半导体器件己经牢牢占据了市场，其成本较高以及人们心理层面的问题外，最重要的还是因为还有需要解决的工艺问题。相对于Si和其它Ⅲ－Ⅴ族技术，如SiC，GaN技术仍不成熟。而且，对GaN HEMT的长期稳定性和可靠性也了解甚少。

大量的研究表明低频噪声是导致器件失效的各种潜在缺陷的敏感反映，此外噪声检测方法还具有灵敏、普适、快速和非破坏性等优点。电噪声根据其形成机构可分为白噪声和过剩噪声。其中，白噪声与频率无关，主要由材料或器件的本征性质决定；过剩噪声则在低频下显著，主要由材料或器件的不完整性决定，大量研究已经证明，绝大多数不完整性(尤其是潜在缺陷) 的存在都会引入过剩噪声，而且噪声大的器件，可靠性必然差。另外，低频噪声与传统的电学参数相比较，可以更加灵敏地反映器件的潜在损伤，这些都使得低频噪声能广泛的应用于半导体器件的可靠性研究。低频噪声除了可以用在电子器件可靠性的检测外，在一些光电器件如量子阱激光器、发光二极管、光电耦合器方面也有成功的应用。

2 概述

GaN基材料的基本性质

氮化镓是一种直接带隙宽禁带半导体材料,禁带宽度为3.4eV。GaN材料化学件质稳定,在室温下不溶于水、酸、碱;质地带硬,熔点非常高(250(rC)。GaN材料制作的蓝光、绿光LED以及激光二极管(Laser Diode, LD)早已实现了产业化生产,以其体积小、寿命长、亮度高、能耗小等优点,有望取代传统白识灯、日光灯等成为主要照明光源。[1]

GaN属III-V族氮化物材料，是一种极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料（熔点约为1700℃）。通常条件下，GaN以六方对称性纤锌矿2H结构存在, 它在一个元胞中有4个原子，原子体积大约为GaAs的一半。但在一定条件下也能以立方对称性的闪锌矿3C结构存在。从晶体学上讲，两种结构的主要区别在于沿(111)晶向原子 a =0.3189n c = 0.5185nm；立方GaN的晶格常数公认的数值为 0.452nm 左右。Ga溶于水、酸和碱，而在热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶解。

GaN基器件

作为一种具有独特光电属性的优异半导体材料，GaN 的应用市场可以分为两个部分：(1)凭借 GaN 半导体材料宽禁带、激发蓝光的独特性质开发新的光电应用产品。目前 GaN 光电器件和电子器件在光学存储、激光打印、高亮度发光二极管以及无线基站等应用领域具有明显的竞争优势，相关的商业专利己经有 20 多项，涉足 GaN 半导体器件商业开发和制造的企业也越来越多。(2)凭借 GaN 半导体材料在高温、高频、大功率工作条件下的出色性能取代部分硅和其它化合物半导体材料器件；其中高亮度发光二极管、蓝光激光器和功率晶体管是当前器件制造商和投资商最为感兴趣和关注的三个GaN 器件市场。

1.发光二极管

目前发光二极管的制造技术已经比较成熟并且已经初步商品化。1996年，日本Nichia公司的高亮蓝光二极管已经达到3cd的亮度，绿光达到10cd，光输出功率分别达6.0mw和4.0mw。2003年，紫光二极管美国Cree公司已经报道了12.0mw的光输出功率。白光二极管的制造技术也逐渐成熟，亮度达5.0至6.0cd。如果白光二极管实现商品化，则会带来更大意义的一场变革—照明技术的革命，目前美国、日本、韩国都十分重视其发展，我国也制定了自己的“半导体照明计划”。

2.蓝、紫色激光器

1999年初，Nichia公司开始商业化生产用InGaN制作的紫色激光器，其输出功率为5mw，发射波长为400nm，工作寿命超过10000小时。最近他们又开发出了室温下连续工作功率达30mw的激光器，波长为405nm。DVD的光存储密度与半导体激光器的波长平方成反比，如果DVD使用GaN基短波长半导体激光器，则其光存储密度将比当前使用GaAs基半导体激光器的同类产品提高4－5倍，因此，宽禁带GaN半导体技术还将成为光存储和处理的主流技术。

3.紫外探测器：

国内对GaN材料的研究开展得较晚，跟国际上的最高水平相比有着较大的差距,但近年来也取得了显著的进展，目前蓝光发光二极管已有实验室样品，并且正在走向产业化。绿光、紫光二极管也已制出样管。白光二极管的制造技术也将一步步走向成熟。

4.电子器件

自1994年AlGaN/GaN HEMT器件问世以后，经过4～5年的基础研究，从1999年起每年都有突破性的进展，短短的十年间，GaN功率HEMT器件从无到有，已经突破10 GHz 40 W和2 GHz 230 W的大关。GaN HEMT有(1)较高的工作温度。有文献报道GaN基HFET在约1000K的高温下仍然保持良好的直流特性；(2)较高的工作偏压。因为GaN饱和电子漂移速率较高, 在较高的漏偏置下，器件仍可有较好的性能；(3)较高的二维电子气浓度。[2]

GaN基发光二极管的工艺

衬底

衬底对Ⅲ族氮化物的极性及极化作用的影响很重要。高质量的外延膜所需的化学反应和条件与晶体的极性有关。在很多情况下，衬底决定外延材料晶体的极性、应力大小与种类(张应力或压应力)，以及极化效应的程度。用不同的外延生长技术，可以对这些性能进行适当的调整，如用蓝宝石衬底，可以生长任一极性的GaN膜。外延在异质衬底如蓝宝石和SiC上的GaN失配位错和线性位错密度一般为，而Si的同质外延的位错密度接近于零，GaAs同质外延的密度为，GaN中其它的晶体缺陷还包括反向畴晶界、堆垛层错。这些缺陷可以作为非辐射复合中心，会在带隙中引入能量态和降低少数载流子的寿命。杂质在线性位错的附近扩散比在体材料中更迅速，导致了杂质的不均匀分布，因而降低p-n结的陡峭性。由于GaN高的压电常数，在线性位错周围的本征应力导致电势和电微小的变化。这类缺陷一般不是均匀分布，因此此类材料或由此类材料制成的器件的电学性能和光学性能也就不均匀。缺陷会提高器件的阈值电压和反向漏电流，减少异质结场效应晶体管面载流子浓度，降低载流子迁移率和热导率。这些不利效应将射频理想性能的复杂结构的、大面积大功率器件的制备。不管选择什么衬底，衬底的许多不足之处如晶体质量及与GaN的结合性差等可以通过适当的表面处理得到改善，如氮化、沉积低温AlN或GaN缓冲层、插入多层低温缓冲层，侧向外延，悬空外延及其它技术。通过此类技术的使用，可以降低GaN外延层的位错密度。

GaN材料由于缺乏合适的体单晶衬底，只有采用异质外延技术。商业化的半导体绝大多数是采用体材料，GaN材料是一个例外，它用异质外延材料成功地做成了器件。

GaN材料中的位错不会显著降低其光学和电学性能。GaN蓝光LED普遍使用的衬底材料是蓝宝石，虽然衬底与GaN外延层之间存在巨大的晶格失配和热失配。若用GaN做成其它器件，如激光器二极管或是大面积、大功率器件，如此高的位错密度就对此类器件非常有害的。另外，虽然蓝宝石能进行多种加工，但其固有的性质会影响到外延材料的性质。GaN异质外延，其质量受衬底的影响很大，衬底材料的选择，一般认为晶格匹配是决定性因素。科研工作者对大量的材料进行过GaN生长，包括绝缘的金属氧化物、金属、金属氮化物和其它的半导体材料。除了晶格常数以外，材料的晶体结构、表面完美性、组成、稳定性、化学性能和电学性能也是决定其是否能做衬底的重要因素，因为它们会严重影响外延层的性能。GaN的晶体方向、极性、表面形貌、应力和缺陷浓度由所采用的衬底决定，也就是衬底的性能会最终决定器件的性能。

3 国内外研究进展.

GaN 材料及器件的研究进展

1928年，Johnson等人首次合成了GaN这种自然界中不存在的化合物材料。由于在较高的制备温度下，N的分解压大大高于Ga的分解压，难以获得晶体，所以对它的研究未取得很好的进展。在60年代，用Ⅲ－Ⅴ族化合物材料砷化稼(GaAs)制成激光器后，人们才又对GaN的研究产生兴趣。1969年，Maruska和Tietjen成功制备出GaN单晶薄膜。但在此后很长一段时期内，GaN材料由于受到没有合适的衬底材料、n型本底浓度太高和无法实现P型掺杂等问题的困扰，进展十分缓慢。

90年代以来，由于缓冲层技术的采用和P型掺杂技术的突破，对GaN的研究热潮在全世界蓬勃发展起来。1983年，Yoshida等人用分子束外延(MBE)方法生长GaN时使用氮化铝(AIN)作为缓冲层，使GaN性能有所改善。1986年，H.Amano等人采用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)和AlN缓冲层，使生长的GaN薄膜的质量显著提高，取得了GaN材料生长突破。Akasaki等详细研究了AIN的作用，认为AIN缓冲层主要有两个作用：提供与衬底相同取向的成核中心；降低界面自由能，加速水平生长。在此期间，Nakamura等利用GaN作为缓冲层，也取得了很好的效果。采用AlN或GaN作为缓冲层己成为Ⅲ－Ⅴ材料生长的基本方法。同时，为了实现P型GaN单晶生长，经过60至80年代近20年的努力，1989年，H.Amano等人在生长掺镁(Mg)的GaN后，采用电子束照射方法首次获得P型GaN单晶。1991年，Akasaki等也通过低能电子束轰击(LEEBI)，将补偿的掺Mg的GaN转变为P型材料，并第一次制造出了p-n结蓝色发光二极管(LED)。

GaN基光电器件已经商业化，而GaN HEMT拥有如此出色的功率特性，但仍没有实现商品化，除了与其相竞争的半导体器件己经牢牢占据了市场，其成本较高以及人们心里层面的问题外，最重要的还是因为还有需要解决的问题。相对于Si和其它Ⅲ－Ⅴ族技术，如SiC技术，GaN技术仍不成熟。而且，对GaN HEMT的长期稳定性和可靠性也了解甚少。GaN HEMT漏极电流受频率影响而发生变化，存在漏极电流崩塌现象。该现象影响器件的最大RF漏极电流，使其远小于同一或相似器件直流情况下所得到的最大电流。

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