gan基基半导体材料光学特性研究
GaN半导体材料综述--功能纳米材料
GaN半导体材料综述课程名称:纳米功能材料与器件学生:XX学院:新材料技术研究院学号:XXXX班级:XXXX任课教师:顾有松评分:2021 -12目录1前言12GaN材料的性能研究12.1物理性质12.2化学性质22.3电学性质22.4光学性质33GaN材料的制备33.1金属有机化学气相外延技术(MOCVD)33.2分子束外延(MBE)43.3氢化物气相外延(HVPE)54GaN材料的器件构建与性能64.1GaN基发光二极管(LED)64.2GaN基激光二极管(LD)74.3GaN基电子器件84.4GaN基紫外光探测器85结论9参考文献91前言继硅〔Si〕引导的第一代半导体和砷化镓〔GaAs〕引导的第二代半导体后，以碳化硅〔SiC〕、氮化镓〔GaN〕、氧化锌〔ZnO〕、金刚石、氮化铝〔AlN〕为代表的第三代半导体材料闪亮登场并已逐步开展壮大。
作为第三代半导体的典型代表，GaN材料是一种直接带隙以及宽带隙半导体材料。
室温下其禁带宽度为3.4eV，具有高临界击穿电场、高电子漂移速度、高热导、耐高温、抗腐蚀、抗辐射等优良特性，是制作短波长发光器件、光电探测器以及高温、高频、大功率电子器件的理想材料。
随着纳米技术的开展，III族氮化物一维纳米构造在发光二极管、场效应晶体管以及太阳能电池领域都具有极大的潜在应用。
进入20世纪90年代以后，由于一些关键技术获得突破以及材料生长和器件工艺水平的不断提高,使GaN材料研究空前活泼，GaN基器件开展十分迅速。
基于具有优异性质的纳米尺寸材料制造纳米器件是很有意义的，GaN纳米构造特别是纳米线是满足这种要求的一种很有希望的材料[1]。
本论文主要介绍了GaN材料的性能研究、制备方法研究、器件构建与性能三个方面的容，并最后进展了总结性阐述，全面概括了GaN材料的根本容。
2GaN材料的性能研究2.1物理性质GaN是一种宽带隙半导体材料，在室温下其禁带宽度约为3.4 eV；Ga和N原子之间很强的化学键，使其具有高达1700℃的熔点；电子漂移饱和速度高，且掺杂浓度对其影响不大；抗辐射、介电常数小、热产生率低和击穿电场高等特点。
GaN光致发光谱与穿透位错特性解析
GaN光致发光谱与穿透位错特性氮化镓（GaN）是宽禁带直接带隙半导体材料,具有优良的光学和电学性质,在蓝绿到紫外波段的光电子器件和高功率微波器件等领域有着广泛的应用前景。
在GaN基光电子器件中，材料中的缺陷和杂质所产生的深能级发光会降低带间辐射复合跃迁的发光效率。
在众多有关GaN薄膜光致发光（PL）特性研究的报道中,不同的样品所测的光致发光谱不尽相同,特别是对GaN半导体材料深能级发光的起源，不同文献的解释存在争议。
因此，进一步研究GaN的光致发光谱是必要的。
本文采用四种不同光源作为激发光源，实验研究了金属有机物汽相外延方法（MOVPE在蓝宝石衬底上生长的GaN的光致发光光谱特性。
结果发现采用氙灯光源和He-Cd激光器两种连续光作为激发光源时,PL谱中均出现较宽的黄带发光，其中心波长位于550nm 附近。
而采用YAG激光器和He-Cd激光器两种脉冲光作激发光源时,PL谱中主要出现中心波长位于约365nm的带边发光峰，而未出现黄带发光。
结果表明蓝宝石衬底上MOVP生长GaN薄膜的PL谱中黄带发光特性与激发光源性质有关。
这对于进一步研究深能级的起源有一定的参考价值。
GaN的深能级发光特别是黄带发光与材料的本生位错缺陷直接相关。
GaN通常在蓝宝石衬底上异质外延生长，然而蓝宝石异质外延衬底与GaN之间存在较大的晶格失配,导致GaN外延层中的位错缺陷密度高达108-1010cm-2。
延伸到GaN表面的穿透位错（TDs）会形成非辐射复合中心和光散射中心，降低光电子器件发光效率。
有文献报道只有纯螺型TDs和混合型TDs才是非辐射复合中心，也有报道部分纯刃型TDs对非平衡少数载流子有一定的非辐射复合作用。
总之，人们对穿透位错类型与非辐射复合中心的对应关系尚无统一的认识。
因此，研究GaN的穿透位错特性将有助于揭示其深能级发光机理。
本论文采用原子力显微镜（AF M）同位观测方法,对MOCV生长GaN样品标记区域进行表面形貌测试,统计得到每个位错坑的半径和深度在腐蚀前和2次腐蚀后的变化，并根据位错坑的初始位置，结构和腐蚀速率判定各位错对应的类型。
gan基微米led大注入条件下发光特性研究
gan基微米led大注入条件下发光特性研究近年来，随着微电子技术的不断发展，微米LED（Light-emitting Diodes）已经成为未来半导体发光材料的重要元素，并且在控制光强、光谱和方向性等方面有着极大的发展空间，应用前景十分广泛。
于其丰富的特性和受欢迎的应用，针对Gan基微米LED，研究其大注入条件下的发光性能具有重要的意义。
首先，我们介绍了Gan基微米LEDs背景知识。
Gan基微米LEDs 是一种微米LED，它利用GaN材料/GaN半导体构技术，实现高效、宽谱、低功率、高功率等发光特性，是当前发光技术的最新发展方向。
随着技术的发展，它的发光效率有了较大提高，尤其是在低注入条件下，Gan基微米LEDs的发光效率达到有史以来的最高水平。
其次，本文分析了Gan基微米LEDs大注入条件下的发光特性。
在大注入条件下，Gan基微米LEDs的净发光效率会显著降低，同时由于大注入条件下电流过大而产生多重激发引起的发光散布也会极大影响发光特性。
同时，在标准Ge传输结构中，随着注入等离子体条件的变化，Ge层中的空穴在Ge层下转移到GaN基层，使得GaN基层空穴激发电子间的正离子，并在GaN基层建立空穴密度浓度分布。
此外，本文还对Gan基微米LED的发光行为和发光特性进行了研究。
我们首先分析了Gan基微米LED的发光行为，通过大量数据实验发现，Gan基微米LED的发光行为在较低的注入电流情况下性能良好；而在较高的注入电流下发光效率明显降低。
同时，根据实验数据，我们对Gan基微米LED的发光特性进行了详细分析：发光特性主要受入射波长和注入电流的影响，在低注入电流情况下，发光效果较好；而在较高注入电流情况下，发光效果不佳，但可以通过减少注入电流的方法来改善发光特性。
最后，从本文的研究可以看出，Gan基微米LEDs大注入条件下的发光特性主要受到入射波长和注入电流影响，我们可以根据不同应用环境，通过控制注入电流值来调节发光特性，以达到良好的发光效果。
基于调制光谱研究GaN的光学特性
Ｇ ａ Ｎ由于具 有高 硬度 、 高融 点及 高热 传 导等优 点 而广泛 应用 于紫 外光 探测 器 、 蓝 色发 光二极 管及 异 质接 面 场效 电 晶体 等器 件 的制作 中 』 。该 材料 在热 平衡下 结 晶为 马采 矿结构 ， 而 乌 采矿 结 构 的 Ｇ ａ Ｎ一
般生长于 Ａ １ ： Ｏ 。 基板上 Ｊ ， 但晶格不匹配达 １ ６ ％。也有成长于 Ｍ ｇ Ｏ基板 的立方晶系 Ｇ ａ Ｎ Ｊ ， 其 晶格常
（ 陕西理 ７ － 学院 物理与电信７ － 程学院 ， 陕西 汉 中 ７ ２ ３ ０ ０ ０ ）
［ 摘
要］ 利用调制光谱技术研究 了以分子束磊 晶法成长于 Ｇ ａ Ａ ｓ 基板上的 Ｇ ａ Ｎ薄膜的光学
特性。结果表明 ， 在Ｐ Ｒ 、 Ｃ Ｅ Ｒ及 Ｐ ｚ Ｒ谱线 中均可观察 到激子跃迁信号 Ｅ ｎ 与旋轨道分裂信 号 （ Ｅ 。 ＋ △ 。 ） ， 且 分裂 量 △ 约 为 ２ ２ ｍ ｅ Ｖ。在 １ ５～ ３ ０ ０ Ｋ的 温度 范 围 内均 可观 测 到 激 子跃 迁信 号
号 与 自旋轨道 分 裂信 号（ ＋ △ 。 ） 逐 渐 向低 能量 反 方向移 动 。
［ 关
GaN基材料半导体激光器综述
L ang Ji ahong1, 2, Gu Bi ao1, 2, Xu Yi n1, 2, Q i n Fuw en1, 2
( 1 National Key L aboratory of M aterial M odification by 32Beams, Dalian U niversity of T echnology , Dalian, 116024) ( 2 Department of Electrical Engineering and A pplied Electronic T echnolog y, Dalian U niversity of T echnology , Dalian, 116024)
法生长的 GaN 和衬底, 可以改善后续的外延层的表 面形貌, 降低串联电阻, 便于制作 GaN 基材料激光 器的解理腔面。HVP E 的缺点是 很难精确 控制膜 厚, 反应气体对设备具有腐蚀性, 影响了 GaN 材料 纯度的进一步提高。对 这几种技术方 法进行了比
较, 见表 1。
表 1 几种外延生长技术的比较
1 主要技术进展
上世纪 90 年代 初, 日本日亚 化学公司 研制的 GaN 蓝光 LED 一出现, 其亮度、输出功率、可靠性 方面就远远超过了 ZnSe, SiC 系的 LED; 存储是 LD 重要应用之一, 光盘记录密度一般与激光波长平方 成反比, 为了适应高密度存储的需要, 短波长光源是 关键, 但是考虑光盘所涉及零部件、光学基板材料透 光率等的限制, 又不能使光源波长太短。日本的波
影响固体 影响纯度
技术名称
组成因素
因素
优点
缺点
HV PE 热动力学
气体, 泄露, 反应室材料
生 长速 率 快, 大 批 量
GaN在光电子器件中的应用
第一章引言GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点，是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，并与SIC、金刚石等半导体材料一起，被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。
它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好（几乎不被任何酸腐蚀）等性质和强的抗腐蚀能力，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有广阔的应用前景。
GaN是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为1700℃，GaN 具有高的电离度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5或0.43）。
在大气压力下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。
它在一个元胞中有4个原子，原子体积大约为GaAs的一半。
因为其硬度高，又是一种良好的涂层保护材料。
其化学稳定性和热稳定性尤其有利于制造高温器件。
其物理特性，包括宽禁带、高击穿、高饱和速度等，更有利于制造微波功率器件。
更值得一提的是，由于A1x Ga1-xN，InxGa1-xN的禁带宽度可调，是可见光、紫外线光电子器件的理想选择，工艺技术上，成功地实现了传统的低压、原子层的CVD淀积和A1GaN/InGaN的掺杂，从而获得了高质量GaN-A1GaN异质结和 A1GaN二维电子气，优良的二维电子气传输特性使其能够制造更加独特的光电子器件。
近年来，在材料生长方面的进展也很快，日本住友电气公司(SEI)已经首次生长2英寸单晶GaN衬底。
同蓝宝石相比，GaN能导电，便于顶层和底层同时制作电极，节省面积;衬底和外延层的材料相同，易于解理衬底和外延层的位错少，可延长激光器的寿命。
该公司计划2001年开始出售GaN材料，这种单晶的商品化不仅加快激光器的开发，而且也有利于GaN电子器件的开发。
用于GaN器件的外延材料生长，经常采用MBE或者MOCVD技术。
其外延材料结构大多属于六方或者立方型的晶体结构，前者生长在蓝宝石或者6H/4H SiC衬底上，当前，大多数器件采用此类衬底。
LPE生长GaN的不同极性面的光学性质
Abstract:The polarization effect in gallium nitride ( GaN) will reduce the efficiency of light-emitting diodes ( LEDs) , so the research on non-polar and semi-polar bulk GaN has received extensive attention. The purpose of our research is to optimize the growth of bulk GaN by exploring the luminescence characteristics between different polar directions of GaN and the fundamental mechanism of impurity doping. In this paper, the bulk GaN single crystals with different polar directions grown laterally by the Na-flux method are used as the research object. The optical properties and impurity distribution characteristics of bulk GaN with different polar directions were compared, and the origin of yellow luminescence ( YL) band of bulk GaN and its influencing factors were discussed. At the beginning, the optical properties of GaN bulk single crystals with different polar directions by liquid phase epitaxy ( LPE) were studied by cathodoluminescence ( CL) and photoluminescence ( PL) . The experimental results show that optical properties of bulk GaN with different growth polar directions are different. The CL and PL characteristics of [1122] and [1120] GaN grown in the lateral direction are similar, but the spectra of [0001] GaN is quite different. The impurity peak of the photoluminescence contains two shoulder peaks, peak 1 (2. 2 eV) and peak 2 (2. 6 eV), which accounted for different proportions in different polar directions. We speculate that they are related to the CN ON complex and the 0 / + energy of CN defect respectively. Then through time of flight secondary ion mass spectrometer ( TOF-SIMS) element analysis, the distribution of C impurity is relatively uniform. There is a big difference in the distribution of oxygen impurity. In the [1122] GaN region, the oxygen impurity content gradually increases along the growth direction. Combined
GaN材料的特性与应用
GaN材料的特性与应用1前言GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点，是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，并与SiC、金刚石等半导体材料一起，被誉为是继第一代Ge、Si 半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。
它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好（几乎不被任何酸腐蚀）等性质和强的抗辐照能力，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景.表1钎锌矿GaN和闪锌矿GaN的特性2 GaN材料的特性GaN是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为1700℃，GaN具有高的电离度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5或0.43）。
在大气压力下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。
它在一个无胞中有4个原子，原子体积大约为GaAs的一半。
因为其硬度高，又是一种良好的涂层保护材料。
2.1GaN的化学特性在室温下，GaN不溶于水、酸和碱，而在热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶解。
NaOH、H2SO4和H3PO4能较快地腐蚀质量差的GaN，可用于这些质量不高的GaN晶体的缺陷检测。
GaN在HCL或H2气下，在高温下呈现不稳定特性，而在N2气下最为稳定。
2.2GaN的结构特性表1列出了纤锌矿GaN和闪锌矿GaN的特性比较。
2.3GaN的电学特性GaN的电学特性是影响器件的主要因素。
未有意掺杂的GaN在各种情况下都呈n型,最好的样品的电子浓度约为4×1016/cm3。
一般情况下所制备的P型样品，都是高补偿的。
很多研究小组都从事过这方面的研究工作，其中中村报道了GaN最高迁移率数据在室温和液氮温度下分别为μn=600cm2/v·s和μn=1500cm2/v·s，相应的载流子浓度为n=4×1016/cm3和n=8×1015/cm3。
近年报道的MOCVD沉积GaN层的电子浓度数值为4×1016/cm3、<1016/cm3；等离子激活MBE的结果为8×103/cm3、<1017/cm3。
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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(2.2×1010cm/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3 W/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)(W/cm·K)优值优值Si 1300 11.4 1.1 1.5 1.0 1.0GaAs 5000 13.1 1.4 0.46 9.6 3.5SiC 260 9.7 2.9 3.5 3.1 60GaN 1500 9.5 3.4 1.7 24.6 80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1.2 GaN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 HEMT结构频带分布优化高频率 2DEG迁移率高频带宽，微波/毫米波高效率工作电压高节能，散热要求低低噪声增益高，速度快高动态范围高温工作禁带宽可靠性好热管理 SiC衬底散热要求低的大功率器件2.氮化镓材料的制备和基本特性要了解氮化镓的光学特性，我们应了解氮化镓如何制备，及其基本特性。
这对为何氮化镓受到市场广泛应用有很重要的实用意义。
从其基本特性我们也可以对氮化镓材料做一个初步的了解，而且这些特性之间都是有联系的，这对最终研究其光学特性是非常重要的。
2.1氮化镓材料的制备制备高质量的GaN体单晶材料和薄膜材料,是研制开发Ⅲ族氮化物发光器件、电子器件以及保证器件性能和可靠性的前提条件。
因为GaN的熔点高达1700℃左右,所以很难采用熔融的液体GaN制备单晶材料,虽然采用了高温、高压技术,但也只能得到针状或小尺寸的片状GaN晶体。
历史上GaN材料的制备经历了3个阶段:1928年Johnson等人通过Ga金属与NH3反应合成了GaN粉末,1969年Maruska和Tietjen等人用氢化物气相外延(HVPE)方法制备了第一个GaN单晶薄膜,进入80年代以来,MOCVD技术开始用于GaN材料的生长,尤其是Nakamura提出的双气流思想,为制备高质量的GaN 材料提供了基础保证。
1991年,Nakamura 制造出了第一支掺Mg 的同质结GaN 蓝色发光二极管,于是国际上众多的研究组采用MOCVD 方法生长GaN 。
现在MOCVD 已经成为GaN 材料生长的标准方法,也是目前唯一能制备出高亮度氮化物发光二极管并用于规模生产的生长技术。
下面主要介绍MOCVD 方法生长GaN 材料的原理、装置和过程。
2.1.1 MOCVD 方法生长GaN 的简单原理MOCVD 是金属有机物化学气相沉积的缩写,也称MOVPE(金属有机物气相外延)。
它是在一块衬底上,让反应物原子在一定温度下沿着晶格外延。
其工作原理大致为:当有机源处于某一恒定温度时,其饱和蒸汽压是一定的。
通过流量计控制载气的流量,就可知载气流经有机源时携带的有机源的量。
多路载气携带不同的源输运到反应室入口混合,然后输送到衬底处,在高温作用下发生化学反应,在衬底上外延生长。
反应副产物经尾气排出。
在MOCVD 工艺中，源材料的物理和化学性质对生长条件、外延层质量、生长装置及生长的安全性和成本都有很大影响。
对源的要求一般有以下几点：(1)室温下为液体，并有稳定的蒸汽压以保证能精确控制送入反应室源的剂量。
(2)选择适宜热分解温度的源材料，以提高源的利用率。
(3)反应活性较低，不与一起使用的其它源发生预淀积反应，最好对水和空气不敏感。
(4)易于合成与提纯。
MOCVD 生长晶体的过程涉及到非常复杂的热力学和动力学问题。
因为热力学分析的体系是处热平衡态的体系,而MOCVD 是一个开放体系,难以满足热平衡条件,所以热力学分析给出的只是反应过程的极限情况。
动力学可用来确定晶体生长中的各种过程的速率。
从热力学来看,GaN 生长中的主要反应有:(1) TMG(I 族元素来源的有机化合物为三甲基稼简称TMGa 或TMG))和NH3的裂解反应:①32333)()(CH CH Ga CH Ga +→②3323)()(CH CH Ga CH Ga +→③33)(CH Ga CH Ga +→④H NH NH +→23⑤H NH NH +→2⑥H N NH +→(2) GaN 的合成反应:43333)(CH GaN NH CH Ga +→+(3) 气相副反应:333333)()(NH CH Ga NH CH Ga →+432233333))((3)(3CH NH CH Ga NH CH Ga +→+(4) 合成物的分解反应:43333)(CH GaN NH CH Ga +→Koleske 发展了GaN 外延生长的表面动力学模型。
该模型主要考虑了以下4个物理过程:(1)GaN 的热分解;(2)GaN 和N 的表面吸附;(3)Ga 和N 的表面脱附;(4)Ga 和N 的表面迁移。
该模型可以用来对GaN 生长做简单的动力学分析。
从动力学的角度,生长速率可表示为:)1(N GaN N Ga GaN GaN H d H H C T --=这里,C 代表原子进入外延层的速率, d 代表原子从生长层到表面的分解速率,H 是表面占据率。
2.1.2 MOCVD 方法生长GaN 薄膜的典型过程MOCVD 设备可分为5个主体部分:载气和源供应系统、反应室、控制系统、尾气处理系统和安全保障系统。
所用的源一般需要用载气携带。
控制系统主要用于流量、温度、压力的控制。
图2给出了MOCVD 生长GaN 原理图。
由于GaN 体单晶难以制备,无法获得GaN 衬底,只能使用其他的衬底材料进行异质外延。
目前使用最广泛的衬底是蓝宝石,由于蓝宝石和GaN 之间的晶格失配度非常大(达14%),不能直接在蓝宝石上高温生长GaN,需要采用二步生长法,即先在低温下生长一层GaN 或AlN 缓冲层,然后,将衬底升温到生长温度外延生长GaN 薄膜。
如果是生长制作器件所需的GaN 叠层结构,则每一层生长都需要精确控制生长的温度和每种源的流量。
例如,生长典型的发光二极管InGaN/GaN 双异质结构,一般先在550℃左右生长一层缓冲层,接着把衬底加热到1050℃左右,通入Ga 源和N 源的同时引入4iH S 作为掺杂剂,生长一层n 型层;然后降温到750~800℃,同时通入Ga源、N源、In源,生长一层InGaN有源层;然后重新升高温度到1050℃左右,通入Ga源和N源的同时引入二茂镁作为p型掺杂剂,生长一层p型层。
生长完成后再经过一定的后处理就可以用于器件制作。
除了MOCVD方法,还可以采用MBE(分子束外延)、HVPE(氢化物气相外延)等方法生长GaN材料,但MBE方法难以用于大规模产业化生产,HVPE法毒性较大而且难以控制生长速率,所以应用都不如MOCVD方法广泛。