GaN基材料的光电器件发展概况

GaN基材料的光电器件发展概述。

一、G aN的性质

GaN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,在高亮度发光二极管、短波长激光二极管、高性能紫外探测器和高温、高频、大功率半导体器件等领域有着广泛的应用前景.

表1 纤锌矿GaN的特性

表2 闪锌矿GaN的特性

二、GaN 材料生长技术

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

为N 源, 在衬底表面反应生成Ⅲ族氮接以Ga 或Al 的分子束作为Ⅲ族源, 以NH

3

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

作氮源、C面蓝宝石为衬底的RMBE法生长的掺镁p型GaN 薄浓度相当的问题。以NH

3

膜,其空穴浓度可高达2×1018cm - 3 , 空穴迁移率为25cm 2/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。90 年代GaN 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。

二、G aN 基半导体激光器的发展

1997年在日本德岛举行的GaN国际会议上,日亚宣布室温连续激射的GaN 蓝光激光器工作寿命已突破10000h. 此后,世界各大公司和实力雄厚的大学与研究单位都投入研究,相继取得重大突破,实现了电注入的受激发射.表2 给出了世界上研制出蓝光激光器的公司和研究单位(统计截止日期为2002年6月).

日亚公司的蓝光激光器的发展

2001以前,GaN 基蓝光激光器的发展史,可以说就是日亚公司的Nakamura 的个人成就史. 1996年初,Nakamura 率先研制成功电脉冲激射InGaN/ GaN多量子阱激光器. 1996 年年底,Nakamura 等人报道了InGaN 多量子阱的室温连续激射激光器, 寿命达到30h.1997年底,他们采用SiO2掩埋和侧向外延过生长技术制作InGaN/ GaN 激光器,其室温下预期工作寿命达到10000 h. 1999年2月,日亚公司获得了实用化的样品.10月,Nakamura 在日本宣布GaN 激光器实现商品化,其特性为: 输出功率为5 mW,发射波长400nm,工作电流40 mA ,工作电压5V ,寿命在室温下已达到10000h ,成为GaN 发展的一个里程碑.

2001年,日亚公司在蓝宝石衬底上采用ELOG技术生长15μm 的GaN后,采用HVPE 技术生长了200μm的GaN,然后把衬底和一部分GaN 外延片除去,获得150μm 左右的GaN 的衬底. 在这个衬底上采用ELOG 技术,制作出的激光器在大功率30mW的输出下,寿命达到15000h ,激光器的特性见下图.在GaN 的衬底上采用ELOG技术获得的激光器的输出功率最大可达150mW.

室温连续激射的激光器(在GaN 的衬底上采用ELOG技术)

(a) L - I 和V - I 曲线; (b) 远场图

世界上其他机构的新进展

近几年,世界上日亚以外的许多其他单位,在蓝光激光器的研制方面也取得了

很大的进展. 除了采用ELOG技术获得室温激射激光器外,许多公司还将一些独特的技术应用到GaN 激光器的研究中.

索尼公司在2001年宣布,获得了60 ℃下,输出功率为30mW,寿命为15000h 的InGaN 多量子阱激光器.最近他们又研制出一种降低p 型材料侧光吸收的新结构,在AlGaN 电流阻挡层和InGaN 多量子阱层之间加入一层不掺杂的AlGaN 层,大大降低了内损耗,提高了电光转换效率,使激光器的温度特性、噪声特性和远场特性都有很大的改善.

Cree 公司一直致力于在6H - SiC 衬底上生长GaN激光器. 他们在1997年就已实现室温连续激射,但寿命极短,小于1min. 但在2002年2月,Cree公司宣布在SiC衬底上获得室温下工作寿命超过10000h的激光器, 其波长为405nm,输出功率为3mW.

NEC 公司推出了一种RiS ( ridge by selective regowth ,选择再生长脊形) 结构的蓝光激光器,利用这种技术可以精确控制激光器的脊形结构,获得单模工作模式,优化远场特性

Xerox 公司利用键合技术,将蓝宝石衬底上的GaN 外延片,倒键合到其他衬底(如InP ,Si 或Cu 等)上面,然后将蓝宝石衬底用激光束加热的方法移去.采用这种方法能实现垂直电极的结构,并且容易获得解理的腔面. Xerox 公司用这种方法,成功地实现了键合到Cu 衬底上的激光器的高温连续激射.此外,夏普公司采用离子注入手段也获得室温连续激射的激光器.而UCSB 的研究小组则利用键合技术制作出GaN 的垂直腔面发射激光器.

就从世界范围而言,日亚公司一支独秀的时期已经过去,特别是光存储产业的巨头已经介入蓝光激光器的生产,这预示着蓝光激光器将大规模地被应用,以GaN 基LD 为光源的HD_DVD 产业的时代到来的脚步声已隐约可闻了.

三、我国GaN基半导体蓝光发光器件的发展

我国GaN 系材料虽然起步较晚,但有志于并真正投身该领域的科学工作者和团队多而强,据不完全统计:中国科学院半导体研究所、北京大学、中国电子科技集团第十三研究所、南京大学、南昌大学、清华大学和中国科学院物理研究所等国内具有顶尖学术地位和实力的单位都投入了该工作. 他们不但在常规六方相GaN 材料生长上取得重大进展,而且在立方相GaN 材料的生长上取得国际领先的创新性成果,成为世界第一个实现立方相GaN 电注入发光的团组.尽管目前我国GaN 系材料生长可以做成一定发光亮度的蓝光甚至绿光LED ,也有不少公司致力于蓝光或绿光LED 的批量生产,但与国外商品先进水平相比,不但发光亮度尚有差距,而且生产规模还小. 要实现受激发射,不但要在提高外延材料光学质量和降低内损耗上狠下功夫,在包括欧姆接触、干法刻蚀以及高质量的解理和划片在内的关键技术上狠下功夫,而且还要为提供高质量的衬底材料付出特别的努力.

令人高兴的是,2002年月,我们台湾的同仁也已实现了GaN 蓝光激光器的室温脉冲激射.

四、G aN光发射器件

GaN材料是性能优越的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体，却一直沉寂了20多年，它的漫长发展历史归因于它有较大的本底n 型载流子浓度，p型掺杂非常困难，从而使

研究工作屡屡受挫，缺乏与GaN晶格匹配的衬底材料则是更大的障碍所以直到90 年代GaN 的发光管（LED）的效率可以与灯泡相比时，才使人们另眼相看，开始掀起研究和制造的热潮。

Ⅲ-Ⅴ族氮化物第一个重大的进展是用GaN或者AlN 作为GaN 生长的成核层，用这些成核层可获得高质量的类镜面表面，低的剩余载流子浓度、高的迁移率、强的光致发光谱强度。

1994年，Nakamura等人研制出了第一只蓝光InGaN/AlGaN 双异质结发光管（DHLED），1995年研制出了蓝光/绿光InGaN 单量子阱结构的发光管（SQWLED），接着，紫外光/黄光的LED 也做出来了。然后，在室温脉冲工作条件下，InGaN/GaN/AlGaN基的异质结紫罗兰色激光器也研制成功。。所有这些光发射器件都使用InGaN有源层代替氮化镓有源层。

在这些InGaN中的InGaN 有源层包含着大量的线性位错，线性位错的密度达到1×108到1×1012cm -2，原发位置是AlGaN和蓝宝石衬底的界面，因为那里存在高达15%的晶格失配。尽管含有大量的位错，InGaN基的InGaN的效率要比常规的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体（AlGaAS\AlInGaP）基的高得多。在许多常规的光电器件中，器件性能受到点缺陷和结构缺陷限制，然而最近的报道表明，和通常的Ⅲ-Ⅴ族半导体器件比较起来，Ⅲ-Ⅴ族氮化物器件似乎对位错不太敏感。LD寿命的提高是通过使用新结构和新衬底来实现的，由于生长期间形成裂缝，LD的问题之一是很难生长厚的AlGaN包敷层用以制约光的传输路径，这些裂纹是. AlGaN和AlGaN 热膨胀系数不同、由于晶格失配应力集中在AlGaN包封层中引起的。当AlGaN 层薄时，弹性压缩应力不足以形成裂纹和缺陷,AlGaN包封层的质量得以改善。在InGaN多量子阱结构LD中，GaN/AlGaN 调制掺杂应变层超晶格（MD-SLS）作为包敷层，厚度在临界厚度左右，用它代替./ AlGaN 层。在蓝宝石C面（0001）选择生长GaN，厚度为2μm，接着在2μm的SiO

掩膜上开3μm 的条形窗口，间隔周

2

期是13μm，方向是GaN<1-100>，外延横向过生长氮化镓（ELOG）被用来减少GaN 外延层中大量的线位错。

结束语

在国内，由于市场潜力巨大，氮化镓光电子材料和氮化镓光电子器件受到投资商家的青睐，开展研究的学校和研究所有十多家，开始或者正在筹备规模生产的厂家超过六家，高质量材料研发能力和大规模生产过程研发能力是共同面临的课题。比较而言，氮化镓电子材料和氮化镓电子器件则相对冷清，实际上它在经济和国防领域应用潜力巨大。目前制约GaN发展的主要因素是结构材料的面积太小、有源层缺陷太多和匹配衬底的价格太贵等问题。可以预计，未来的几年将是氮化镓材料和器件大发展的时期。

S200602034 毛德丰

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