王信开题报告原文王信开题报告原文.doc

1 课题意义 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[1]。GaN以其具有的宽直接带隙、强的原子键、化学稳定性好几乎不被任何酸腐蚀等特性和强的抗辐照能力，成为目前全球半导体材料研究行业的热点之一。GaN 材料的兴起是以GaN的p 型掺杂为突破点的，以高效率蓝绿光LED 和蓝光LED 的成功研制作为标志的[2]。而后成为研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路的理想材料，在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等方面亦有着广泛的应用前景。 GaN及其合金材料不仅具有宽的带隙,而且还具有热导率大，电子饱和速度高，击穿场强大等优良性质，因此，在发展短波长光电子器件、大功率、高温电子器件和高频微波器件方面有着十分广阔的应用前景。目前对GaN材料的研究热潮将会对光电子技术、现代通讯、信息存取等高新技术产业带来重要的影响。某调研机构指出，GaNLED市场中，照明的份额预计会从2011年的21%升为2016年的49%；照明LED收入预计增长超过300%[3]。而法国里昂Yole市场研究公司在一份名为“2012年GaN市场”的报告中也预测氮化镓功率电子设备市场2019年将增长到10亿美元[4]。目前对GaN材料的研究热潮将会对光电子技术、现代通讯、信息存取等高新技术产业带来重要的影响。 2 国内外研究现状2.1? 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HC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.GaN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。2.1.3 GaN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=－6.0×10eV/k。Monemar测定了基本的带隙为3.503eV±0.0005eV，在1.6kT为Eg=3.503＋（5.08×10T2)/(T－996)eV。GaN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