gan材料的特性与应用

2005-4-4 20:20:03 王平

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。

未掺杂载流子浓度可控制在1014～1020/cm3范围。另外，通过p型掺杂工艺和mg的低能电子束辐照或热退火处理，已能将掺杂浓度控制在1011～1020/cm3范围。

2.4gan的光学特性

人们关注的gan的特性，旨在它在蓝光和紫光发射器件上的应用。maruska和tietjen首先精确地测量了gan直接隙能量为3.39ev。几个小组研究了gan带隙与温度的依赖关系，pankove等人估算了一个带隙温度系数的经验公式：de/dt=－6.0×10－4ev/k。 monemar测定了基本的带隙为3.503ev±0.0005ev，在1.6kt为eg=3.503＋（5.08×10－4t2)/(t－996) ev。

另外，还有不少人研究gan的光学特性。

3gan材料生长

gan材料的生长是在高温下，通过tmga分解出的ga与nh3的化学反应实现的，其可逆的反应方程式为：

ga＋nh3=gan＋3/2h2

生长gan需要一定的生长温度，且需要一定的nh3分压。人们通常采用的方法有常规mocvd(包括apmocvd、lpmocvd)、等离子体增强mocvd（pe—mocvd）和电子回旋共振辅助mbe等。所需的温度和nh3分压依次减少。本工作采用的设备是ap—mocvd，反应器为卧式，并经过特殊设计改装。用国产的高纯tmga及nh3作为源程序材料，用dezn作为p型掺杂源，用（0001）蓝宝石与（111）硅作为衬底采用高频感应加热，以低阻硅作为发热体，用高纯h2作为mo源的携带气体。用高纯n2作为生长区的调节。用hall测量、双晶衍射以及室温pl光谱作为gan的质量表征。要想生长出完美的gan，存在两个关键性问题，一是如何能避免nh3和tmga的强烈寄生反应，使两反应物比较完全地沉积于蓝宝石和si衬底上，二是怎样生长完美的单晶。为了实现第一个目的，设计了多种气流模型和多种形式的反应器，最后终于摸索出独特的反应器结构，通过调节器tmga管道与衬底的距离，在衬底上生长出了gan。同时为了确保gan的质量及重复性，采用硅基座作为加热体，防止了高温下nh3和石墨在高温下的剧烈反应。对于第二个问题，采用常规两步生长法，经过高温处理的蓝宝石材料，在550℃，首先生长250a0左右的gan缓冲层，而后在1050℃生长完美的gan单晶材料。对于 si衬底上生长gan单晶，首先在1150℃生长aln缓冲层，而后生长gan结晶。生长该材料的典型条件如下：

nh3：3l/min

tmga：20μmol/minv/ⅲ=6500

n2：3～4l/min

h2：2<1l/min

人们普遍采用mg作为掺杂剂生长p型gan，然而将材料生长完毕后要在800℃左右和在n2的气氛下进行高温退火，才能实现p型掺杂。本实验采用 zn作掺杂剂，dez2n/tmga=0.15，生长温度为950℃，将高温生长的gan单晶随炉降温，zn具有p型掺杂的能力，因此在本征浓度较低时，可望实现p型掺杂。

但是，mocvd使用的ga源是tmga，也有副反应物产生，对gan膜生长有害，而且，高