氮化鎵基發光二極體

GaN 是一種寬頻隙化合物半導體材料，具有發射藍光、高溫、高頻、高壓、大功率和耐酸、耐鹼、耐腐蝕等特點，是繼鍺、矽和砷化鎵之後最主要的半導體材料之一。使得它在藍光和紫外光電子學技術領域占有重要地位，也是製作高溫、大功率半導體器件的理想材料。

基本介紹

• 中文名：氮化鎵基發光二極體
• 外文名：GaNLED
• 套用學科：電子

1背景介紹

半導體材料的發展

半導體材料作為整個半導體產業的基礎,其發展對光電子、微電子產業的發展創造了條件。一般認為,半導體材料的發展經歷了三個階段。通常將矽(Si)和鍺(Ge)稱為第一代半導體材料。20世紀50年代,鍺占據著半導體工業中的主導地位,但由於其抗福射和耐高溫能力較差,到20世紀60年代後期逐漸被陸取代。矽是間接帶隙半導體材料,其禁頻寬度為1.1eV。由於矽的機械性能好、儲量豐富、載流子遷移率高等優點被較早 發利用,目前在半導體製作工藝中最為成熟,是現代半導體器件、積體電路以及微電子產業的基礎材料。由於矽自身的物理化學性質限制,在微電子領域矽難以滿足人們對更大信息量的傳輸需求,在光電子領域它的發光效率很低;但是在光電子領域,娃基發光材料和無源光電子器件展示了矽的巨大潛力和套用前景。

研究背景

Si 和 GaAs 分別為傳統半導體材料第一代、第二代的代表。它們的發展推動了微電子技術、光電子技術的發展，以此為基礎的信息技術給人類社會和生活帶來了翻天覆地的變化。由於材料本身的限制，第一代、第二代半導體材料只能工作在 200℃以下的環境中，而且抗輻射、耐高壓擊穿性能以及發射可見光波長範圍都不能完全滿足現代電子技術發展對高溫、大功率、高頻、高壓以及抗輻射、能發射藍光的新要求。在這種情況下，新型電子器件材料的選擇推出了以 GaN 為代表的第三代半導體材料。

GaN作為第三代半導體材料的典型代表，具有禁頻寬度大、擊穿場強高、飽和電子遷移速率高、熱導率大、介電常數小、抗輻射能力強，以及良好的化學穩定性，適合製作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成的電子器件，而且可以製作藍、綠和紫外發光器件和光探測器件。

目前GaN憑藉其出色的物理、化學以及光電性能成為第三代半導體材料的典型代表，GaN行業也成為全球半導體研究的熱點和前沿領域，被譽為IT行業的又一“發動機”。儘管GaN行業在近十多年來已取得了一些突破性的進展，如高質量GaN、InGaN外延層的生長，低阻p型GaN的獲得等。但缺乏合適的襯底材料一直是GaN行業發展的瓶頸。目前常用的襯底為藍寶石（晶格失配為13%，熱失配34%），致使GaN外延層存在嚴重的質量問題，如雜質含量高、位錯密度大（109/cm）、缺陷多、晶體完整性差等。目前GaN基光電器件的製造技術已經比較成熟並且已經初步商品化。其電子器件GaN HEMT擁有出色的功率特性，但仍沒有實現商品化，除了與其相競爭的半導體器件己經牢牢占據了市場，其成本較高以及人們心理層面的問題外，最重要的還是因為還有需要解決的工藝問題。相對於Si和其它Ⅲ－Ⅴ族技術，如SiC，GaN技術仍不成熟。而且，對GaN HEMT的長期穩定性和可靠性也了解甚少。

大量的研究表明低頻噪聲是導致器件失效的各種潛在缺陷的敏感反映，此外噪聲檢測方法還具有靈敏、普適、快速和非破壞性等優點。電噪聲根據其形成機構可分為白噪聲和過剩噪聲。其中，白噪聲與頻率無關，主要由材料或器件的本徵性質決定；過剩噪聲則在低頻下顯著，主要由材料或器件的不完整性決定，大量研究已經證明，絕大多數不完整性(尤其是潛在缺陷) 的存在都會引入過剩噪聲，而且噪聲大的器件，可靠性必然差。另外，低頻噪聲與傳統的電學參數相比較，可以更加靈敏地反映器件的潛在損傷，這些都使得低頻噪聲能廣泛的套用於半導體器件的可靠性研究。低頻噪聲除了可以用在電子器件可靠性的檢測外，在一些光電器件如量子阱雷射器、發光二極體、光電耦合器方面也有成功的套用。

2 概述

GaN基材料的基本性質

氮化鎵是一種直接帶隙寬禁帶半導體材料,禁頻寬度為3.4eV。GaN材料化學件質穩定,在室溫下不溶於水、酸、鹼;質地帶硬,熔點非常高(250(rC)。GaN材料製作的藍光、綠光LED以及雷射二極體(Laser Diode, LD)早已實現了產業化生產,以其體積小、壽命長、亮度高、能耗小等優點,有望取代傳統白識燈、日光燈等成為主要照明光源。[1]

GaN屬III-V族氮化物材料，是一種極穩定的化合物，又是堅硬的高熔點材料（熔點約為1700℃）。通常條件下，GaN以六方對稱性纖鋅礦2H結構存在, 它在一個元胞中有4個原子，原子體積大約為GaAs的一半。但在一定條件下也能以立方對稱性的閃鋅礦3C結構存在。從晶體學上講，兩種結構的主要區別在於沿(111)晶向原子 a =0.3189n c = 0.5185nm；立方GaN的晶格常數公認的數值為 0.452nm 左右。Ga溶於水、酸和鹼，而在熱的鹼溶液中以非常緩慢的速度溶解。

GaN 是一種寬頻隙化合物半導體材料，具有發射藍光、高溫、高頻、高壓、大功率和耐酸、耐鹼、耐腐蝕等特點，是繼鍺、矽和砷化鎵之後最主要的半導體材料之一。使得它在藍光和紫外光電子學技術領域占有重要地位，也是製作高溫、大功率半導體器件的理想材料。

GaN基器件

作為一種具有獨特光電屬性的優異半導體材料，GaN 的套用市場可以分為兩個部分：(1)憑藉 GaN 半導體材料寬禁帶、激發藍光的獨特性質開發新的光電套用產品。目前 GaN 光電器件和電子器件在光學存儲、雷射列印、高亮度發光二極體以及無線基站等套用領域具有明顯的競爭優勢，相關的商業專利己經有 20 多項，涉足 GaN 半導體器件商業開發和製造的企業也越來越多。(2)憑藉 GaN 半導體材料在高溫、高頻、大功率工作條件下的出色性能取代部分矽和其它化合物半導體材料器件；其中高亮度發光二極體、藍光雷射器和功率電晶體是當前器件製造商和投資商最為感興趣和關注的三個GaN 器件市場。

1.發光二極體

目前發光二極體的製造技術已經比較成熟並且已經初步商品化。1996年，日本Nichia公司的高亮藍光二極體已經達到3cd的亮度，綠光達到10cd，光輸出功率分別達6.0mw和4.0mw。2003年，紫光二極體美國Cree公司已經報導了12.0mw的光輸出功率。白光二極體的製造技術也逐漸成熟，亮度達5.0至6.0cd。如果白光二極體實現商品化，則會帶來更大意義的一場變革—照明技術的革命，目前美國、日本、韓國都十分重視其發展，我國也制定了自己的“半導體照明計畫”。

2.藍、紫色雷射器

1999年初，Nichia公司開始商業化生產用InGaN製作的紫色雷射器，其輸出功率為5mw，發射波長為400nm，工作壽命超過10000小時。最近他們又開發出了室溫下連續工作功率達30mw的雷射器，波長為405nm。DVD的光存儲密度與半導體雷射器的波長平方成反比，如果DVD使用GaN基短波長半導體雷射器，則其光存儲密度將比當前使用GaAs基半導體雷射器的同類產品提高4－5倍，因此，寬禁帶GaN半導體技術還將成為光存儲和處理的主流技術。

3.紫外探測器：

國內對GaN材料的研究開展得較晚，跟國際上的最高水平相比有著較大的差距,但近年來也取得了顯著的進展，目前藍光發光二極體已有實驗室樣品，並且正在走向產業化。綠光、紫光二極體也已制出樣管。白光二極體的製造技術也將一步步走向成熟。

4.電子器件

自1994年AlGaN/GaN HEMT器件問世以後，經過4～5年的基礎研究，從1999年起每年都有突破性的進展，短短的十年間，GaN功率HEMT器件從無到有，已經突破10 GHz 40 W和2 GHz 230 W的大關。GaN HEMT有(1)較高的工作溫度。有文獻報導GaN基HFET在約1000K的高溫下仍然保持良好的直流特性；(2)較高的工作偏壓。因為GaN飽和電子漂移速率較高, 在較高的漏偏置下，器件仍可有較好的性能；(3)較高的二維電子氣濃度。[2]

GaN基發光二極體的工藝

襯底

襯底對Ⅲ族氮化物的極性及極化作用的影響很重要。高質量的外延膜所需的化學反應和條件與晶體的極性有關。在很多情況下，襯底決定外延材料晶體的極性、應力大小與種類(張應力或壓應力)，以及極化效應的程度。用不同的外延生長技術，可以對這些性能進行適當的調整，如用藍寶石襯底，可以生長任一極性的GaN膜。外延在異質襯底如藍寶石和SiC上的GaN失配位錯和線性位錯密度一般為，而Si的同質外延的位錯密度接近於零，GaAs同質外延的密度為 ，GaN中其它的晶體缺陷還包括反向疇晶界、堆垛層錯。這些缺陷可以作為非輻射複合中心，會在帶隙中引入能量態和降低少數載流子的壽命。雜質線上性位錯的附近擴散比在體材料中更迅速，導致了雜質的不均勻分布，因而降低p-n結的陡峭性。由於GaN高的壓電常數，線上性位錯周圍的本徵應力導致電勢和電微小的變化。這類缺陷一般不是均勻分布，因此此類材料或由此類材料製成的器件的電學性能和光學性能也就不均勻。缺陷會提高器件的閾值電壓和反向漏電流，減少異質結場效應電晶體面載流子濃度，降低載流子遷移率和熱導率。這些不利效應將射頻理想性能的複雜結構的、大面積大功率器件的製備。不管選擇什麼襯底，襯底的許多不足之處如晶體質量及與GaN的結合性差等可以通過適當的表面處理得到改善，如氮化、沉積低溫AlN或GaN緩衝層、插入多層低溫緩衝層，側向外延，懸空外延及其它技術。通過此類技術的使用，可以降低GaN外延層的位錯密度。

GaN材料由於缺乏合適的體單晶襯底，只有採用異質外延技術。商業化的半導體絕大多數是採用體材料，GaN材料是一個例外，它用異質外延材料成功地做成了器件。

GaN材料中的位錯不會顯著降低其光學和電學性能。GaN藍光LED普遍使用的襯底材料是藍寶石，雖然襯底與GaN外延層之間存在巨大的晶格失配和熱失配。若用GaN做成其它器件，如雷射器二極體或是大面積、大功率器件，如此高的位錯密度就對此類器件非常有害的。另外，雖然藍寶石能進行多種加工，但其固有的性質會影響到外延材料的性質。GaN異質外延，其質量受襯底的影響很大，襯底材料的選擇，一般認為晶格匹配是決定性因素。科研工作者對大量的材料進行過GaN生長，包括絕緣的金屬氧化物、金屬、金屬氮化物和其它的半導體材料。除了晶格常數以外，材料的晶體結構、表面完美性、組成、穩定性、化學性能和電學性能也是決定其是否能做襯底的重要因素，因為它們會嚴重影響外延層的性能。GaN的晶體方向、極性、表面形貌、應力和缺陷濃度由所採用的襯底決定，也就是襯底的性能會最終決定器件的性能。

3 國內外研究進展.

GaN 材料及器件的研究進展

1928年，Johnson等人首次合成了GaN這種自然界中不存在的化合物材料。由於在較高的製備溫度下，N的分解壓大大高於Ga的分解壓，難以獲得晶體，所以對它的研究未取得很好的進展。在60年代，用Ⅲ－Ⅴ族化合物材料砷化稼(GaAs)製成雷射器後，人們才又對GaN的研究產生興趣。1969年，Maruska和Tietjen成功製備出GaN單晶薄膜。但在此後很長一段時期內，GaN材料由於受到沒有合適的襯底材料、n型本底濃度太高和無法實現P型摻雜等問題的困擾，進展十分緩慢。

90年代以來，由於緩衝層技術的採用和P型摻雜技術的突破，對GaN的研究熱潮在全世界蓬勃發展起來。1983年，Yoshida等人用分子束外延(MBE)方法生長GaN時使用氮化鋁(AIN)作為緩衝層，使GaN性能有所改善。1986年，H.Amano等人採用金屬有機物化學氣相澱積(MOCVD)和AlN緩衝層，使生長的GaN薄膜的質量顯著提高，取得了GaN材料生長突破。Akasaki等詳細研究了AIN的作用，認為AIN緩衝層主要有兩個作用：提供與襯底相同取向的成核中心；降低界面自由能，加速水平生長。在此期間，Nakamura等利用GaN作為緩衝層，也取得了很好的效果。採用AlN或GaN作為緩衝層己成為Ⅲ－Ⅴ材料生長的基本方法。同時，為了實現P型GaN單晶生長，經過60至80年代近20年的努力，1989年，H.Amano等人在生長摻鎂(Mg)的GaN後，採用電子束照射方法首次獲得P型GaN單晶。1991年，Akasaki等也通過低能電子束轟擊(LEEBI)，將補償的摻Mg的GaN轉變為P型材料，並第一次製造出了p-n結藍色發光二極體(LED)。

GaN基光電器件已經商業化，而GaN HEMT擁有如此出色的功率特性，但仍沒有實現商品化，除了與其相競爭的半導體器件己經牢牢占據了市場，其成本較高以及人們心裡層面的問題外，最重要的還是因為還有需要解決的問題。相對於Si和其它Ⅲ－Ⅴ族技術，如SiC技術，GaN技術仍不成熟。而且，對GaN HEMT的長期穩定性和可靠性也了解甚少。GaN HEMT漏極電流受頻率影響而發生變化，存在漏極電流崩塌現象。該現象影響器件的最大RF漏極電流，使其遠小於同一或相似器件直流情況下所得到的最大電流。