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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

2GaN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