今天小编要和大家分享的是GaN基材料发展历史 GaN基材料GaN及其三元化合物的基本特性，接下来我将从GaN基材料的发展历史，GaN及其三元化合物的基本特性，GaN基材料的生长技术，GaN基材料的应用，GaN基材料的典型应用及现状，这几个方面来介绍。
GaN即氮化镓，属第三代半导体材料，六角纤锌矿结构。GaN 具有禁带宽度大、热导率高、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度和高硬度等特性,是现在世界上人们最感兴趣的半导体材料之一。GaN 基材料在高亮度蓝、绿、紫和白光二极管,蓝、紫色激光器以及抗辐射、高温大功率微波器件等领域有着广泛的应用潜力和良好的市场前景。
GaN基材料的发展历史
早在1928年,Johnson就用粉末法合成了GaN。但由于GaN高熔点、高离解压的特性使GaN的体单晶生长极为困难,长期阻碍了GaN研究工作的发展。甚至一度GaN被认为是没有前途的材料。但是在20世纪90年代初,GaN基材料的研究取得重大进展。1991年日本日亚公司的Nakamura等人首先以蓝宝石(Al2O3)衬底研制成掺Mg的GaN同质结蓝色发光二极管。此后,在各国掀起了研究GaN基材料的热潮。随着研究的不断进步,现在已经能够制造高亮度的蓝光、绿光、紫光和白光二极管。蓝色和紫色激光器也已能够制造。目前,蓝、绿光发光二极管已实现商品化,开发GaN器件的焦点主要集中在实现白光二极管和蓝色激光器的商品化上。世界各大公司和研究机构都投入巨资加入到GaN蓝色激光器和高亮度白光二极管的开发中。
GaN及其三元化合物的基本特性
GaN基材料主要包括GaN及其与InN、AlN的合金,其禁带宽度覆盖整个可见光及紫外光谱范围。GaN及其三元化合物通常是以六方对称性的纤锌矿结构存在,但在一定条件下也能以立方对称性的闪锌矿结构存在。2种结构的主要差别在于原子层的堆积次序不同,因而电学性质也有显着差别。由于闪锌矿结构的GaN不稳定,用于器件的一般都是纤锌矿结构。表1给出了2种结构的GaN及InN、AlN的带隙宽度和晶格常数。
对于InGaN、AlGaN等三元化合物的各项参数可以用插值法估算:
GaN是GaN基半导体材料中的基本材料,也是目前研究最多的Ⅲ族氮化物材料。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,其熔点较高,约为1700℃。GaN的电学性质是决定器件性能的主要因素。电子室温迁移率目前可达900cm2/。较好的GaN材料的本底n型载流子浓度可以降到1016/cm3左右。由于n型本底载流子浓度较高,制备p型样品的技术难题曾经一度限制了GaN器件的发展。Akasaki等人和Nakamura等人分别通过低能电子束辐照(IEEBI)和热退火处理技术,实现掺Mg的GaN样品表面p-型化。目前已经可以制备载流子浓度在1011至1020/cm3的p-型GaN材料。
GaN基材料的生长技术
每种新器件的诞生,都依赖于薄膜生长技术的发展。随着分子束外延(MBE)生长技术的日渐成熟和完善,为新一代半导体器件所需的微结构材料的生长,提供了必要条件,对推动新一代半导体技术的发展起了重要作用。目前尚无实用化的GaN衬底,在其它衬底上多采用异质外延生长的方法,以MBE、MOCVD异质外延生长技术为主。选择的异质节衬底主要材料为蓝宝石、SiC、Si、GaAs、Gap等,以蓝宝石较为常用。外延生长技术MBE、MOCVD为GaN晶体生长带来了飞跃的进步。利用MBE技术成功地解决了Ⅲ-Ⅴ族氮化物的薄膜生长及掺杂工艺,解决了MBE生长GaN薄层的关键问题氮气源。提供氮气源的方法于有很多,如用电子回旋共振(ECR)、射频(RF)等离子增强(pE)等方法激励N原子的产生,其中最成功的是RF等离子体源和电子回旋共振(ECR)微波等离子体源。与生长温度在1000℃以上的MOCVD相比,MBE系统用于氮化物生长的一个重要优点是结晶性好、生长温度低、产生的热应力小,这对热膨胀失配较大的AlGaN合金来说十分重要。另外MBE生长薄膜过程是在超真空环境中,可实现束流的原位监测以及使用高能电子衍射仪(RHEED)观察薄膜生长质量,并可实现单原子层生长。反应分子束外延技术,直接以Ga或Al的分子束作为Ⅲ族源,以NH3为N源,在衬底表面反应生成Ⅲ族氮化物。利用该技术,在800℃下先生长几十纳米厚的AlN缓冲层,然后再生长GaN薄膜材料,获得了器件级n型GaN薄膜材料,圆满地解决了氮空位数与n型载流子浓度相当的问题。以NH3作氮源、C面蓝宝石为衬底的RMBE法生长的掺镁p型GaN薄-32膜,其空穴浓度可高达2×1018cm,空穴迁移率为25cm/V·s。同样用RMBE法也可制备出掺铍的p型GaN薄膜,但其空穴浓度没有掺镁的材料高。年代GaN90薄膜材料生长技术取得质的飞跃,成功地解决了器件质量薄膜材料的生长,实现了p型掺杂,获得了符合器件要求的p型GaN薄膜,解决了GaN基固溶体InGaN、AlGaN的生长工艺,为蓝、绿色LED和蓝光LD以及各种FET和光探测器的制备奠定了材料基础,从而为新器件的开发和研究打开了光明之门。
GaN基材料的应用
GaN基材料具有禁带宽度大、热导率高、电子饱和漂移速度大和介电常数小等特点,GaN基材料可以用于制造蓝、绿、紫和白光二极管,蓝色和紫色激光器,以及高频、大功率电子器件和紫外光探测器等等。目前二极管的制造技术已经比较成熟并且已经初步商品化。激光器的进展也非常迅速,正在走向商品化。其他器件如GaN基的FET、HEMT、HBT和UV光传感器也已开发出来。
GaN基材料的典型应用及现状
1 发光二极管
1991年,日本Nichia公司成功制造了同质结GaN蓝色发光二极管,光输出功率达70μW,此后世界各大公司和研究机构对GaN的研究不断取得突破进展,随着双异质结和量子阱结构的广泛采用,GaN基发光二极管的发光亮度和光输出功率都已达到很高水平。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。紫光二极管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。随着发光亮度的迅速提高和产品的商品化,GaN基发光二极管正一步步走入人们的生活,并将给人们的生活带来巨大的变化。例如,用InGaN蓝光和绿光二极管和AlGaInp红光二极管做成全色动态信息显示平板,可广泛用于车站、广场、体育馆等场所,使信息的显示更逼真,将给人们带来更大的方便和全新的感受。还可以应用于电视机和计算机的显示器,这样的电视机和计算机显示器将以其平面化、响应快、清晰度高、无辐射、低功耗等优势同现有的阴极射线管显示器展开竞争。可以预言,一旦成本和价格能够降到可承受范围,这种竞争将是一边倒的。
2 蓝、紫色激光器
InGaN量子阱蓝、紫色激光器的实现,为高密度存储、水下通信开辟了道路。激光器的波长决定了光盘的存储容量、存储密度与波长的平方成反比。现有的CD和DVD使用的激光波长分别为780nm和635nm,如果改用波长为450的蓝光,CD和DVD的存储密度将分别从现在的0.65G和4.7G提高到14G左右。同时信息的寻道时间将从100至50毫秒缩短到20至40毫秒。由于水对光的吸收,以前在海水中要实现光通信比较困难。但由于海水对波长在470到540之间的蓝、绿光吸收特别少(只有其他波长光的1%),所以,如果将蓝、绿光用于水下通信,这个难题将得以解决。由于蓝、绿、紫色激光器的应用前景和市场潜力非常巨大,现在正吸引着世界上众多的大公司和研究组在这个领域攻关。
GaN材料除了在发光器件领域,在其他领域如高温大功率电子器件、高频器件、光探测器等方面也有着巨大的应用前景,Khan等人已经用GaN材料制作出了GaN/AlGaN异质结场效应晶体管(FET),GaN/AlGaN异质结HEMT,HFET和MOFET也已研制成功。ApA公司的GaN基UV光探测器已经实现商品化,并借助于他们在GaN基FET器件领域的领先技术,正在开发探测器/FET混合器件。
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着的进展,目前蓝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。本实验室的制造的波长382nm的紫外二极管室温下光输出功率为0.56mW。白光二极管的研究也已取得了初步进展,随着蓝光特别是紫外二极管和荧光粉制造技术的不断进步,白光二极管的制造技术也将一步一步走向成熟。
关于GaN基材料,电子元器件资料就介绍完了，您有什么想法可以联系小编。