GaN材料的應用
- 2012-3-31 15:59:46
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氮化鎵材料的應用...... |
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氮化鎵 |
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基新型電子器件
GaN材料系列具有低的熱產生率和高的擊穿電場，是研制高溫大功率電子器件和高頻微波器件的重要材料。目前，隨著MBE技術在GaN材料應用中的進展和關鍵薄膜生長技術的突破，成功地生長出了GaN多種異質結構。用GaN材料制備出了金屬場效應晶體管（MESFET）、異質結場效應晶體管(HFET)、調制摻雜場效應晶體管（MODFET）等新型器件。調制摻雜的AlGaN/GaN結構具有高的電子遷移率(2000cm2/v·s)、高的飽和速度(1×107cm/s)、較低的介電常數，是制作微波器件的優先材料；GaN較寬的禁帶寬度(3.4eV)及藍寶石等材料作襯底，散熱性能好，有利于器件在大功率條件下工作。圖2示出了GaN電子器件的性能與GaAs和SiCMESFET的比較，從圖中可以很好地看到GaN基電子器件具有很好的應用前景。
基光電器件
GaN材料系列是一種理想的短波長發光器件材料，GaN及其合金的帶隙覆蓋了從紅色到紫外的光譜范圍。自從1991年日本研制出同質結GaN藍色LED之后，InGaN/AlGaN雙異質結超亮度藍色LED、InGaN單量子阱GaNLED相繼問世。目前，Zcd和6cd單量子阱GaN藍色和綠色LED已進入大批量生產階段，從而填補了市場上藍色LED多年的空白。以發光效率為標志的LED發展歷程見圖3。藍色發光器件在高密度光盤的信息存取、全光顯示、激光打印機等領域有著巨大的應用市場。隨著對Ⅲ族氮化物材料和器件研究與開發工作的不斷深入，GaInN超高度藍光、綠光LED技術已經實現商品化，現在世界各大公司和研究機構都紛紛投入巨資加入到開發藍光LED的競爭行列。1993年，Nichia公司首先研制成發光亮度超過lcd的高亮度GaInN/AlGaN異質結藍光LED，使用摻Zn的GaInN作為有源層，外量子效率達到2.7%,峰值波長450nm,并實現產品的商品化。1995年，該公司又推出了光輸出功率為2.0mW，亮度為6cd商品化GaN綠光LED產品，其峰值波長為525nm，半峰寬為40nm。最近，該公司利用其藍光LED和磷光技術，又推出了白光固體發光器件產品，其色溫為6500K，效率達7.5流明/W。除Nichia公司以外，HP、Cree等公司相繼推出了各自的高亮度藍光LED產品。高亮度LED的市場預計將從1998年的3.86億美元躍升為2003年的10億美元。高亮度LED的應用主要包括汽車照明，交通信號和室外路標，平板金色顯示，高密度DVD存儲，藍綠光對潛通信等。在成功開發Ⅲ族氮化物藍光LED之后，研究的重點開始轉向Ⅲ族氮化物藍光LED器件的開發。藍光LED在光控測和信息的高密度光存儲等領域具有廣闊的應用前景。目前Nichia公司在GaN藍光LED領域居世界領先地位，其GaN藍光LED室溫下2mW連續工作的壽命突破10000小時。HP公司以藍寶石為襯底，研制成功光脊波導折射率導引GaInN/AlGaN多量子阱藍光LED。Cree公司和Fujitsu公司采用SiC作為襯底材料，開發Ⅲ族氮化物藍光LED，CreeResearch公司首家報道了SiC上制作的CWRT藍光激光器，該激光器彩霞的是橫向器件結構。富士通繼Nichia，CreeResearch和索尼等公司之后，宣布研制成了InGaN藍光激光器，該激光器可在室溫下CW應用，其結構是在SiC襯底上生長的，并且采用了垂直傳導結構（P型和n型接觸分別制作在晶片的頂面和背面），這是首次報道的垂直器件結構的CW藍光激光器。在探測器方面，已研制出GaN紫外探測器，波長為369nm，其響應速度與Si探測器不相上下。但這方面的研究還處于起步階段。GaN探測器將在火焰探測、導彈預警等方面有重要應用。
應用前景
對于GaN材料，長期以來由于襯底單晶沒有解決，異質外延缺陷密度相當高，但是器件水平已可實用化。1994年日亞化學所制成1200mcd的LED，1995年又制成Zcd藍光（450nmLED），綠光12cd(520nmLED);日本1998年制定一個采用寬禁帶氮化物材料開發LED的7年規劃，其目標是到2005年研制密封在熒光管內、并能發出白色光的高能量紫外光LED，這種白色LED的功耗僅為白熾燈的1/8，是熒光燈的1/2,其壽命是傳統熒光燈的50倍～100倍。這證明GaN材料的研制工作已取相當成功，并進入了實用化階段。InGaN系合金的生成，InGaN/AlGaN雙質結LED，InGaN單量子阱LED，InGaN多量子阱LED等相繼開發成功。InGaNSQWLED6cd高亮度純綠茶色、2cd高亮度藍色LED已制作出來，今后，與AlGaP、AlGaAs系紅色LED組合形成亮亮度全色顯示就可實現。這樣三原色混成的白色光光源也打開新的應用領域,以高可靠、長壽命LED為特征的時代就會到來。日光燈和電燈泡都將會被LED所替代。LED將成為主導產品，GaN晶體管也將隨材料生長和器件工藝的發展而迅猛發展，成為新一代高溫度頻大功率器件。
GaN材料的缺點和問題
一方面，在理論上由于其能帶結構的關系，其中載流子的有效質量較大，輸運性質較差，則低電場遷移率低，高頻性能差。另一方面，現在用異質外延（以藍寶石和SiC作為襯底）技術生長出的GaN單晶，還不太令人滿意（這有礙于GaN器件的發展），例如位錯密度達到了108~1010/cm2（雖然藍寶石和SiC與GaN的晶體結構相似，但仍然有比較大的晶格失配和熱失配）；未摻雜GaN的室溫背景載流子（電子）濃度高達1017cm-3（可能與N空位、替位式Si、替位式O等有關），并呈現出n型導電；雖然容易實現n型摻雜（摻Si可得到電子濃度1015~1020/cm3、室溫遷移率>300cm2/V.s的n型GaN），但p型摻雜水平太低（主要是摻Mg），所得空穴濃度只有1017~1018/cm3，遷移率<10cm2/V.s，摻雜效率只有0.1%~1%（可能是H的補償和Mg的自身電離能較高所致）。
GaN材料的優點與長處
①禁帶寬度大（3.4eV），熱導率高（1.3W/cm-K），則工作溫度高，擊穿電壓高，抗輻射能力強；②導帶底在Γ點，而且與導帶的其他能谷之間能量差大，則不易產生谷間散射，從而能得到很高的強場漂移速度（電子漂移速度不易飽和）；③GaN易與AlN、InN等構成混晶，能制成各種異質結構，已經得到了低溫下遷移率達到105cm2/Vs的2-DEG（因為2-DEG面密度較高，有效地屏蔽了光學聲子散射、電離雜質散射和壓電散射等因素）；④晶格對稱性比較低（為六方纖鋅礦結構或四方亞穩的閃鋅礦結構），具有很強的壓電性（非中心對稱所致）和鐵電性（沿六方c軸自發極化）：在異質結界面附近產生很強的壓電極化（極化電場達2MV/cm）和自發極化（極化電場達3MV/cm），感生出極高密度的界面電荷，強烈調制了異質結的能帶結構，加強了對2-DEG的二維空間限制，從而提高了2-DEG的面密度（在AlGaN/GaN異質結中可達到1013/cm2，這比AlGaAs/GaAs異質結中的高一個數量級），這對器件工作很有意義。總之，從整體來看，GaN的優點彌補了其缺點，特別是通過異質結的作用，其有效輸運性能并不亞于GaAs，而制作微波功率器件的效果（微波輸出功率密度上）還往往要遠優于現有的一切半導體材料。
GaN器件制造中的主要問題
因為GaN是寬禁帶半導體，極性太大，則較難以通過高摻雜來獲得較好的金屬-半導體的歐姆接觸，這是GaN器件制造中的一個難題，故GaN器件性能的好壞往往與歐姆接觸的制作結果有關。現在比較好的一種解決辦法就是采用異質結，首先讓禁帶寬度逐漸過渡到較小一些，然后再采用高摻雜來實現歐姆接觸，但這種工藝較復雜。總之，歐姆接觸是GaN器件制造中需要很好解決的一個主要問題。
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