《宽禁带半导体发光材料》2.1氮化物材料的性质2
《宽禁带半导体发光材料》3.1MOCVD设备与氮化物材料生长基础
MOCVD通常的性能指标
硬件性能参数
衬底温 度
反应室 压力
衬底转速 范围
稳定性 均匀性 升温速率
范围
控制精度
系统气 密性
管路系统漏气率 反应室漏气率
0-2000转/分钟 100～1200℃
±1℃ ±3℃（在1000℃）
0.5 ℃-3℃/s 20-760Torr
MOCVD技术由于能在纳米尺度上精确控制外延层的厚度、组分 、掺杂及异质结构界面，所以其与分子束外延技术（MBE）一起 成为制备化合物半导体异质结、低维结构材料的重要方法。
MOCVD技术是一种动态非平衡生长技术，外延生长是高度受控 的相转变。因此，热力学完全决定着所有生长过程的驱动力，进 而确定最大生长速率。此外，在许多生长条件下对于外延热力学 的了解，可以确定合金的组分以及固体的化学配比。
Desorption
Diffusion
Pyrolysis
Adsorption
Surface reaction
Substrate
NH3
H
N
Ga(CH3)3
CH3
Ga
MOCVD的优势
高质量外延层
高生长速率 掺杂均一 重复性好
高量产，不需要超高真空（对比MBE）
成本优势 降低生长周期
高灵活性
同一系统可生长多种不同材料体系
陡峭界面适宜生长异质结
MQW，SLs
MOCVD生长的关键过程
化学反应
单相反应─气相中形成内核
源的高温分解及其加合物 复杂的激活反应
多相反应─衬底表面
台阶,结,及其引起的“缺陷”的性质和密度 源及其中间态的吸附和解吸作用 高温分解,包括复杂的激活反应 产品的吸附作用
北大教授《宽禁带半导体》报告
6 Band gap energy (eV) 5 4 3 2 1 1.8
InN GaN ZnO AlP GaP
GaAs InP
2.0
2.2 2.4 2.6 2.8 Bond length (Å)
3.0
Group III-nitrides: covering the wavelength region from UV to IR
LD: 400-410nm
ΔEC ~2eV
Nichia
LED-Generated indoor/outdoor lighting, LD-Underwater communications, High-resolution printings, High density data storage, Full-color film printers, Projection television Photodetector, Air pollution detection, Biomedical Uses, etc.
High electron drift velocity, high breakdown voltage, high sheet carrier density without doping
颜色与波长
400
波长nm λ=460nm=0.46μm; Eg=1.24/0.46=2.7eV; X=2.1eV
Physical Properties of Typical Semiconductors for High Power Electronic Devices
Material Si GaAs GaN 4HSiC 6HSiC
Eg
(eV) 1.10 1.40 3.39 3.26 3.00
《宽禁带半导体发光材料》3.3氮化物材料的发展1
不同In组分InGaN材料中的微结构
CL Spectra for x~(0.07-0.35)
SEM and XTEM images for x~(0.07-0.35)
InGaN材料中的位错缺陷主要 来自于下层材料； In组分越高，缺陷浓度越高， 晶体质量越差； In组分升高，光谱红移，强度 下降。
1994年，经过多年InGaN层的优化生长，第一颗InGaN双异质结高亮 度蓝光LED诞生(2.5 mW Output Power @ 450 nm) 。
InGaN/AlGaN Double Heterostructure LED
Output Power vs. Current
InGaN材料的发展
InGaN材料可用于制备近紫外、蓝、绿、黄光LED
InGaN材料生长的困难
氮化物材料发展历史关键点
InGaN材料的发展
1989 年，Nagamoto等人利用MOVPE首次制备出InGaN材料，高能 电子衍射显示已获得小颗粒单晶材料，XRD结果显示随着 In组分的增 加，材料晶格常数增大；由于生长设备及技术限制，材料质量差，缺 陷发光明显，尚不能实现带边发射。
In组分非均匀性
In组分的不均匀性在器件结果上表现为外延片发光波长的不一致
WLD
平均 -21 值项 -18 -15 -12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12 15 18 -18 -15 -12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12 15 18 总计 526.3 526.7 526.7 526.4 525 526 526 526 527 527 525 526 526 527 527 527 528 528 528 525 526 526 526 527 527 527 528 528 528 527 523 526 526 526 527 526 526 527 527 528a）纤锌矿结构（b）闪锌矿结构
宽禁带半导体材料
02
宽禁带半导体材料的种类与性质
氮化镓(GaN)的性质与制备
• 性质 • 高临界击穿电场 • 高电子迁移率 • 良好的热稳定性 • 制备 • 高温高压化学气相沉积法 • 金属有机化学气相沉积法 • 分子束外延生长法
碳化硅(SiC)的性质与制备
• 性质 • 高禁带宽度 • 高热导率 • 高电子迁移率 • 制备 • 化学气相沉积法 • 熔融法 • 机械化学法
激光器与光电子器件
总结词
高功率、低阈值、高速、小型化、集成化
详细描述
宽禁带半导体材料在激光器与光电子器件方面具有广泛的应用。由于宽禁带半导体材料具有高击穿场强、高饱 和电子速度等特性，因此非常适合制作高功率、高速、小型化和集成化的激光器与光电子器件。此外，宽禁带 半导体材料还可以显著降低激光器的阈值，提高其工作效率。
2
探索低缺陷宽禁带半导体材料生长技术，提高 材料质量，是降低成本的重要途径。
3
开发新型宽禁带半导体材料合成方法，简化生 产流程，提高产量和降低成本。
发展新型宽禁带半导体材料与器件
01
针对不同应用领域，开发具有优异性能的新型宽禁带半导体材 料，如高迁移率、高击穿场强、高热导率等。
02
探索新型宽禁带半导体器件结构，提高器件性能和稳定性，如
宽禁带半导体材料
xx年xx月xx日
目录
Байду номын сангаас
• 宽禁带半导体材料概述 • 宽禁带半导体材料的种类与性质 • 宽禁带半导体材料的应用 • 宽禁带半导体材料的研究进展与挑战 • 展望未来：宽禁带半导体材料的发展趋势与挑战
01
宽禁带半导体材料概述
定义和特性
宽禁带半导体材料定义
宽禁带半导体材料是指禁带宽度大于2.3 eV的材料，具有高 热导率、高击穿场强、高饱和电子速度等特性。
氮化物宽禁带半导体材料和器件
氮化物宽禁带半导体材料和器件
氮化物是一类宽禁带半导体材料，由氮元素和其他金属元素如镓、铝、硅等元素组成。
氮化物材料具有优异的热、光、电特性，比传统的硅材料具有更高的电子迁移率和较大的能隙（禁带宽度），因此被广泛用于半导体器件的制作。
氮化物宽禁带半导体材料的最重要的应用领域是照明领域，尤其是蓝光LED。
传统的照明技术，如白炽灯和荧光灯，通常
需要较高的能量消耗。
而氮化物宽禁带半导体材料制成的蓝光LED具有高效率、长寿命和节能的特点，被广泛应用于照明、显示器和光通信等领域。
此外，氮化物宽禁带半导体材料还可以用于制作高功率和高频率的电子器件，如功率器件和射频器件。
氮化物材料具有高电场饱和速度和热稳定性，可以承受高电压和高功率操作，因此适用于电力电子和通信应用。
总而言之，氮化物宽禁带半导体材料和器件具有广泛的应用前景，尤其在照明、电力电子和通信领域。
随着技术的不断发展和突破，氮化物材料可能在更多领域展示出其优越的性能和潜力。
氮化物半导体器件的材料特性研究
氮化物半导体器件的材料特性研究
随着现代电子技术的发展，半导体器件成为了现代电子技术的重要组成部分。
氮化物半导体器件作为一种新兴的半导体材料，因其出色的电学、光学和力学性质，正逐渐成为研究的热点。
氮化物半导体器件是一种由氮化镓衬底、氮化镓和其他元素的复合材料组成的半导体器件。
近年来，氮化物半导体器件的研究取得了重大突破，在电子器件、光电器件、射频器件、功率器件等领域都被广泛应用。
那么，我们应该如何研究氮化物半导体器件的材料特性呢？
首先，我们可以从氮化物半导体器件的制备下手。
氮化物半导体器件的制备主要分为两个阶段，第一阶段是衬底和外延层的生长，第二阶段是晶体生长和器件制备。
其中第一阶段决定了氮化物半导体器件的质量和性能。
因此，在研究氮化物半导体器件的材料特性时，我们可以关注衬底和外延层的生长。
其次，我们可以通过表征手段研究氮化物半导体器件的材料特性。
目前，常用的表征手段主要有X射线衍射、扫描电镜、原子力显微镜、透射电子显微镜、拉曼光谱等。
这些表征手段能对氮化物半导体器件的物理性质、结构性质和光学性质等方面进行分析和评估。
最后，我们可以通过模拟方法研究氮化物半导体器件的材料特性。
模拟方法是一种先进的研究手段，可以帮助我们更全面的认识氮化物半导体器件的材料特性。
目前，常用的模拟方法主要有从头算、密度泛函理论、分子力学模型等。
总之，研究氮化物半导体器件的材料特性是一个非常综合的工作。
我们需要结合制备手段、表征手段和模拟方法，全面认识氮化物半导体器件的材料特性。
只有这样，我们才能更好的实现氮化物半导体器件的优化和应用。
氮化物宽禁带半导体—第三代半导体技术
氮化物宽禁带半导体一第三代半导体技术张国义１，李树明２北掌大学韵曩最，卜蘑■一目毫重点宴■宣‘２北大董光科技酣青曩公司北囊１∞耵１ｉ盲謦。
莳耍曰曩了量化精半导体曲主要持征和应用■量．巨督圈辱上和重内的主曩研兜理状．市场分析与攮测．由此－ｕ蚪再｝１１．氯化韵帕研究已妊成为高科技鬣壤田际竟争的■膏点之一．ｔ为第三代半■体拄术，育形成蠢科技臣夫产＿ｔ群的ｒ口艟性．也存在着蠢积的竞争和蕞｛；‘翻舶风龄．众所周知，以Ｇｅ，Ｓｉ为基础的半导体技术，奠定丁二十世纪电子工业的基础．其主要产品形式是以大规模集成电路为主要技术的计算机等电子产品．形成了巨大的徽电子产业群。
其技术水平标志是大的晶片尺寸和窄的线条宽度．如１２英寸／０．１５微米技术．是成功的标志，被称之为第一代半导体技术．以Ｇ“ｓ．ＩｎＰ．包括Ｇ吐ｌ＾ｓ，ＩｆＩＧａＡｓＰ，ＩｎＧａＡｌＰ瞢ＩＩＩ—ｖ族砷化物和碑化韵半导体技术，奠定了二十世纪光电子产业的基础，其主要产品形式是以光发射器件，如半导体发光二极管（Ｌ肋）和激光嚣（ＬＤ）等．为基础的光显示．光通讯，光存储等光电子系统，形成了巨大的信息光电产业群。
其技术水平标志是使通讯速度，信息容量，存储密度大幅度提高，被称之为第二代半导体技术．对徽电子和光电子领域来说，二十世纪存在的问矗和二十一世纪发晨趋势是人们关心的问题．高速仍然是微电子的追求目标，高温大功率还是没有很好解决的问题；光电子的主要发展趋势是全光谱的发光器件，特别是短波长（绿光．蓝光．咀至紫外波段）ＬＥＤ和ＬＤ．光电集成（０ＥＩｃ）是人们长期追求的目标，由于光电材料的不兼容性，还没有很好的实现。
事实上．这些问题是第一代和第二代半导体材料本身性质决定，不可舱解决的问题。
它需要寻找一种高性能的宽禁带半导体材料．而这一工作二十世纪后半叶就已经开始．在世纪之交得以确认。
那就是第三代半导体技术一ＩＩＩ一族氮化物半导体技术．ＧａＮ、ＡｌＮ和ＩｎＮ以及由它们组成的三元合金是主要的ＩＩＩ族氰化物材料．所有氮化物晶体的稳定结构是具有六方对称性的纤锌矿结构，而在一些特定的条件下，例如在立方豸多。
氮化物半导体材料
新型氮化物半导体材料硅材料作为电子产业的基础，数十年来一直是信息经济发展的实质动力。
随着电子器件尺寸的缩小和处理速度的加快，晶体管尺寸已经迫近极限，探索新的物理机制与结构来缩小硅晶体管的线宽也只能延续5～10年，找到替代材料，或开发纳米材料是当前电子技术进一步发展的核心问题。
氮化物半导体材料最早是在光学领域突破了硅材料的局限，未来的发展将可能在某些特殊领域成为代替金属氧化物半导体的新型电子材料。
氮化物半导体的光学性能发光二极管(LED)是当前显示器和节能灯的技术支撑。
1 6年前，日本日亚化工公司的中村发明了蓝光LED。
从而使LED能够与已有的红绿光整合形成白光，并于1998年成功商业化。
中村的LED是用氮化镓制成的，氮化物在光学器件的应用从此不断发展，已经形成一个新兴产业。
2009年，德国和日本的研究人员报告他们已经用氮化铟镓制成首批绿色激光二极管，从而向制成新一代小型全色放映机迈进了一步。
在氮化物电子器件的研究方面，如可调及耐高温的晶体管、新型太阳能电池及超小型化学传感器等也同样获得了成功。
它们的性能在许多应用领域将超过硅电子材料，这是由于氮化物不同于大多数半导体材料，其电子运动在很宽的范围可调。
因此，氮化物半导体的能带宽度范围大，可以有效吸收太阳辐射中的不同光谱的光子，大大提高了太阳能电池的光吸收效率。
硅半导体的带宽是1．1电子伏，而氮化铟是0．6电子伏，氮化镓是3．4电子伏，氮化铝是6．2电子伏。
如果选择氮化铟镓合金，就可调整使之吸收0．6—3．4电子伏问任何一级光能;如果选择氮化铟铝，则可在0．6—6．2电子伏之间调整，从而在设计新的光电子和电子器件上有了更大灵活性。
氮化物半导体被誉为电子高速公路，其电子迁移速度大约是硅的4倍。
氮化物还很坚硬，而且可耐高过硅电子材料数百度的高温，因此氮化物晶体管适用于汽车发动机、高电压的电网等多种特殊电子器件。
阻碍氮化物半导体材料应用的瓶颈是目前尚无适当的基底材料。
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GaN极性的控制
MBE， PLD 加入AlN层，提高温度，提高生长速度 加入Mg、Al、Ga等金属插入层 使用GaN缓冲层
HVPE GaCl处理宝石衬底 沉积ZnO、AlN等插入层 使用厚的低温GaN缓冲层
MOCVD 注意衬底的氮化，特别是在氢气蚀刻后 低Ⅴ/Ⅲ条件下生长低温GaN 使用AlN插入层
7
非极性/半极性GaN生长技术
8
GaN grown in non-polar direction
• Advantages ----no polarization fields along the growth direction ----no quantum confinement stark effect ----Potential for high internal quantum efficiency
20
自发极化场
• 二 元 化 合 物 GaN, InN ， AlN 分 别 为 ： -0.034C/m2 、 -0.042C/m2 、 0.090C/m2
• 三元化合物（AxB1-xN）：
• 四元化合物：
式中b为修正因子。Psp(AlN)=-0.09，Psp(GaN)=-0.034，Psp(InN)=-
GaN/AlN/sapphire
N-polar On
sapphire
• As-grown
25
极性与腐蚀
Ga-polar On
GaN/AlN/saph
N-polar On
sapphire
• 2M KOH/45min/90oC
26
N极性GaN的腐蚀反应机理
N面
N面 形成Ga2O3, 溶于碱溶液
N面 Ga+OH-
子和空穴移向量子阱的不同
方向，产生了与极化电场方
向相反的电场，部分削弱了
量子阱内的极化场强度，致
使发光波长蓝移
23
极性面/非极性面MQWs发光峰随入射光能量变化
• c面多量子阱发光峰随注入光子能量增大有明显蓝移现象 • a面多量子阱发光位置基本不随入射光子能量增大而偏移
24
2.1.5 化学性质
Ga-polar On
N-polar On
sapphire
自发/压电极化
• 自发极化（强度）方 向：沿[000-1]方向
• 负的极化界面电荷在 Ga面，正的极化界面 电荷在N面
• 压电极化：取决于外 延层受张应力/压应 力
• 外延膜张应力，压电 极化场方向与自发极 化场相同
• 外延膜压应力，压电 极化场方向与自发极 化场方向相反
0.042，bAlGaN=0.019，bInGaN=0.038，bAlInN=0.071。因为xy(1-x-y)的
值很小，在计算中最后一项通常忽略不计
21
压电极化场
• 异质外延引起的应变：ε=（asubs-aL）/aL ，asubs为衬底晶格常数，aL为外 延层晶格常数
• 二元合金：
• 四元合金• 总极化强来自为自发极化与压电极化之和：N极性和Ga极性GaN的区别
表面形貌 主要缺陷
Ga极性 光亮
位错和纳米管
表面电荷 化学稳定性
表面重构 在1000摄氏度的热
分解
负 抗腐蚀 1X， 2X N2环境没有改变 H2环境没有改变
N极性 粗糙 小的反筹 位错和纳米管 正 易腐蚀 3X N2环境没有改变 H2环境 Ga点
N极性GaN的用途
•H与N-polar GaN的亲和力更强 •用N-GaN制备的H探测器响应度更高
大纲
2.1.1 概述 2.1.2 晶体及能带结构 2.1.3 氮化物缺陷 2.1.4 氮化物极性 2.1.5 化学性质 2.1.6 光学性质 2.1.7 接触特性
2
2.1.4 GaN的极性
3
GaN中的极性、半极性及非极性面
4
GaN中的极性、半极性及非极性面
非极性面GaN表面形貌
6
非极性a面GaN(11-20)表面形貌
Ga极性面，N极性面及其性质
• MOCVD生长的GaN一般为Ga极性面。通过初始生长表面的处 理可以为N极性面
• 由于极化方向不一致，其对Mg掺杂后表面形貌的影响、金 属半导体接触均有影响
• Ga面在形貌上比较平整 ，光亮；N面则粗糙。N 面更容易被酸碱所腐蚀
Ga-polar On
GaN/AlN/sapphire
暴露出新的N面
•N面上的N原子仅有一个悬挂键，不能有效阻止腐蚀液和Ga 原子反应
•Ga面在Ga原子腐蚀后，N终止面上存在3个悬挂键，阻止OH和Ga的进一步反应，因此Ga面对酸碱很稳定，不易反应。
Ga面腐蚀
N面腐蚀
29
GaN etching in acid
10min
• H3PO4/90oC
• H3PO4/120oC
5min
20min 5min
30
Photo-Electro-Chemical(PEC) etching
• KOH/RT/Hg lamp
31
Photo-Electro-Chemical(PEC) etching
• KOH/RT/Hg lamp
32
PEC etching: porous GaN
仅有自发极化情形
顶层膜张应力
顶层膜压应力
17
量子阱中的压电极化场
• 量子阱InGaN与量子垒GaN存在晶格失配，应变产生极化场 • 有源区能带发生倾斜，电子与空穴被分离到量子阱的不同侧 • 载流子波函数的重叠减少，降低了载流子复合发光概率
18
GaN/InGaN/GaN异质结中的极化电场强度
19
InGaN量子阱中的压电极化强度
22
Quantum confined stark effect (QCSE)
• InGaN量子阱层压电极化场大 于自发极化场，能带倾斜方 向（与自发极化场引起倾斜 方向）相反：
• 量子阱倾斜
• 电子、空穴波函数分离
• 量子阱辐射波长红移
• 发光峰值波长随注入电流增 加而蓝移
• 注入大电流时，高密度的电
10
c面，极性 a面，非极性
半极性
11
1011（2008）
GaN材料的极性
Ga面极性（常见） N面极性 •在GaN结构中，每一个Ga或者N都与四个N或Ga原子相连 •Ga极性面——Ga原子一个键朝上，三个键朝下（一个悬挂键） •N极性面——N原子一个键朝上，三个键朝下（三个悬挂键） •N极性表面悬挂键是Ga极性表面悬挂键的3倍 •N面更活泼，N极性面很容易被碱溶液腐蚀（抛光/剥离） •Ga面很难被腐蚀，只在熔融的KOH或热的浓磷酸中选择性腐蚀（位错）