《半导体材料的华丽家族―GaN材料.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《半导体材料的华丽家族―GaN材料.doc（13页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、福州大学工程技术学院学生论文题 目：半导体材料的华丽家族GaN材料年 级： 2010 级专 业：材料科学与工程专业学 号： 261080026学生姓名：林芳指导教师：郑兴华2011年 12月 11日半导体材料的华丽家族GaN材料摘要自从蓝色 GaN/GaInN LEDs研制成功之后 , 氮化物逐渐成为化合物半导体领域中一颗耀眼的新星。以高亮度 GaN基白光 LED为核心的半导体照明技术对照明领域带来了很大的冲击，并成为目前全球半导体领域研究和投资的热点。本文首先综述了 GaN材料的基本特性、制备、以及 GaN基白光 LED的特点、合成与发展前景。关键词： GaN，半导体材料，低色温、高显色，白
2、光LED目录1.绪论 ················································&
3、#183;··············11.1GaN的背景·································
4、83;·················11.2 GaN 的基本特性 ······························
5、·················11.3 GaN 材料的制备······························
6、3;················21.3.1材料的选择································
7、;···················21.3.2 GaN 外延材料的生长 ·······················21.4 GaN基器件的应用和市场前景·
8、83;··· ····· ···· ············ ········ 42.GaN基-低色温、高显色白光LED·············&#
9、183;············· ······· · ···· 42.1白光LED的特点·····················
10、3;····························42.2白光LED的合成 ············ ·······&#
11、183;······························42.3LED的未来发展与展望 ················
12、3;·························· 63.致谢 ··············· ··· ····&
13、#183;············································· 74.参考文献 ··
14、3;·················································
15、3;··········· 81·绪论1.1 GaN 的背景在半导体产业的发展中，一般将Si 、 Ge称为第一代电子材料；而将GaAs、 InP 、 GaP、InAs 、 AlAs及其合金等称为第二代电子材料；宽禁带(Eg>2.3eV半导体材料近年来发展十分迅速，成为第三代电子材料，主要包括SiC、 ZnSe、金刚石和GaN等。在第三代半导体材料中，SiC 和 ZnSe 在相当长的一段时间内一直是研究和开发的重点，尽管 SiC 为间接带隙材料，其蓝色LEDs 的发光亮度
16、很低，但SiC 蓝色 LEDs 在 GaN蓝光 LEDs实现商品化之前仍是唯一的商品化的蓝光LEDs 产品；而ZnSe 材料由于实现蓝光LDs( 寿命约为几个小时，更是成为世界各大公司和研究机构的掌上珠。GaN 材料由于受到没有合适的单晶7衬底材料 ( 蓝宝石衬底与GaN的晶格失配高达14%、位错密度太大( 约为 ZnSe 材料的10倍、183n- 型本底浓度太高(>10/ cm 和无法实现p- 型掺杂等问题的困扰, 曾被认为是一种没有希望的材料，因而发展十分缓慢。进入90 年代之后，随着材料生长和器件工艺水平的不断发展和完善， GaN基器件的发展十分迅速，目前已经成为宽带隙半导体材料中
17、一颗十分耀眼的新星。1.2 GaN 的基本特性族氮化物，主要包括GaN、 AlN、 InN(Eg<2.3V 、 AlGaN、 GaInN、 AlInN 和 AlGaInN 等，同第一、二代电子材料相比 表 1-1 ，第三代半导体材料具有禁带宽度大（覆盖了红、黄、绿、蓝、紫和紫外光谱范围），电子漂移饱和速度高，介电常数小，导热性能好等特点。 表 1-1Si 、GaAs和宽带隙半导体材料的特性对比在通常条件下，它们以六方对称性的铅锌矿结构存在，但在一定条件下也能以立方对称性的闪锌矿结构存在。两种结构的主要差别在于原子层的堆积次序不同 , 因而电学性质也有显著差别。 表 1-2 给出了两种结构
18、的 AlN、 GaN 和 InN 在 300K 时的带隙宽度和晶格常数。 表 1-2两种结构AlN 、 GaN、 InN 的带隙宽度和晶格常数(300KGaN材料非常坚硬，其化学性质非常稳定，在室温下不溶于水、酸和碱，其融点较高，约为 1700。 GaN 的电学性质是决定器件性能的主要因素。电子室温迁移率目前可以达900cm2(V·s。在蓝宝石衬底上生长的非故意掺杂的GaN样品存在较高183的 n 型本底(>10 /cm载流子浓度。 GaN 材料具有许多硅基材料所不具备的优异性能，包括能够满足大功率、高温、高频和高速半导体器件的工作要求。1.3 GaN 材料的制备1.3.1材料
19、的选择制备高质量的GaN 体单晶材料和薄膜单晶材料，是研究开发族氮化物发光器件、电子器件以及保证器件性能和可靠性的前提条件。因为GaN的融点高，所以很难采用熔融的液体GaN制备体单晶材料，即使采用了高温、高压技术，也只能制备出针状或小尺寸的片状GaN晶体。目前仍在开展生长大尺寸GaN 体单晶材料的研究工作。随着异质外延技术的不断进步, 现在已经可以在一些特定的衬底材料上外延生长得到质量较好的GaN 外延层 , 这使得GaN材料体系的应用得到了迅速的发展。在选择衬底材料时通常考虑的因素如下:(1 尽量采用同一系统的材料作为衬底；(2 晶格失配度越小越好；(3 材料的热膨胀系数相近；(4 用于微波
20、器件时, 最好选取微波介质性质良好的半绝缘材料；(5 材料的尺寸、价格等因素。1.3.2 GaN 外延材料的生长目前可以采用MOVPE、 MBE和 HVPE等外延技术实现GaN的异质外延生长。（ 1） HVPE：卤化物气相外延(HVPE技术，以GaCl3 为 Ga 源， NH3 为 N源 , 在 1000左右在蓝宝石衬底上可以快速生长质量较好的GaN材料，生长速度可以达到每小时几百微米。HVPE的缺点是很难精确控制膜厚，反应气体对设备具有腐蚀性，影响要用于改进 MOVPE生长的 LEDs结构，以提高取光效率，或改进GaN材料纯度的提高 .HVPE主MBE生长的 LDs 结构，使其具有较低的串联
21、电阻和较好解理。（ 2） MBE：分子束外延技术，直接以Ga或 Al 的分子束作为 III 族源，以 NH3 为 N 源，在衬底表面反应生成族氮化物。该方法可以在较低的温度下实现GaN的生长，有可能减少 N 的挥发 ,从而降低本底n 型载流子浓度。但在低温下，NH3 与族金属的反应速率很慢，生成物分子的可动性差 , 为了进一步提高晶体质量，正在研究以等离子体辅助增强技术激发23作为N ，替代 NHN 源。反应分子束外延生长族氮化物的速度较慢，可以精确控制膜厚，但对于外延层较厚的器件 ( 如 LEDs、 LDs 的生长时间过长，不能满足大规模生产的要求。（ 3） MOVPE：金属有机物气相外延(
22、MOVPE技术，以族金属有机物为III 族源，以3为 NNH源，在高温下 ( 通常 >1000进行族氮化物的生长。MOVPE的生长速率适中，可以比较精确的控制膜厚，特别适合于LEDs 和 LDs 的大规模工业生产，目前EMCORE和 AIXTRON公司都已开发出用于工业化生产的族氮化物MOVPE设备。由于使用了难于裂解并易于发生杂散反应的3作为NHN 源 , 需要严格控制生长条件，并改进生长设备。Nakamura 等人在 1990年开发了双束流(TF2MOVPE生长技术 图 1-3 ，并采用该技术于1991 年生长得到了高质量的p 型 GaN晶体。MOVPE技术是目前使用最多，材料和器件
23、质量最高的生长方法。 图 1-3 双束流 MOVPE生长示意图(4 两步生长工艺：由于GaN同蓝宝石的晶格失配太大，为了获得晶体质量较好的延层，必须采用两步生长工艺。即首先在较低的温度下(500 600生长很薄的一层AlN 作为缓冲层 (buffer layer，再将温度调整到较高的温度生长GaN。 Akasaki首先以GaN外GaN 或AlN 为缓冲层生长得到了高质量的GaN 晶体，随后Nakamura 发现以GaN为缓冲层可以得到更高质量的 GaN晶体。1.4 GaN 基器件的应用和市场前景GaN基器件在高亮度蓝、绿光LEDs 和蓝光LDs 以及抗辐射、高温大功率微波器件等领域有着广阔的应
24、用潜力和良好的市场前景。随着高亮度AlGaInP红光LED 和GaInN 蓝、绿光LED的商品化，可见光LED的应用领域已经由室内扩展到室外，由单色显示发展为彩色显示，将在全色动态信息平板显示、固体照明光源、信号指示灯和背光照明等领域获得广泛应用。而蓝、绿光LD 在增大信息的光存储密度、深海通信、材料加工、激光打印、大气污染监控等方面有广泛的用途。2·GaN基- 低色温、高显色白光LED2.1白光 LED的特点(1 小体积：体积小、重量轻。利用其特点可设计又薄、又轻、又紧凑的各种式样的灯具、背光源产品。(2 高效率：发光效率高，一个两瓦的LED灯相当于一个 15 瓦的普通白炽灯灯泡的
25、照明效果。(3 多色彩： LED色彩鲜艳丰富。不同的半导体材料，不同颜色的光。颜色饱和度达到 130%全彩色不同光色的组合变化多端，利用时序控制电路，更能达到丰富多彩的动态变化效果。(4 寿命长： LED灯最长可达 100000 小时； LED半衰减期可达 50000 小时以上。(5 低耗电：比同光效的白炽灯最多可节省百分之七十。(6 低故障： LED是半导体元件，与白炽灯和电子节能灯相比，没有真空器件和高压触发电路等敏感部件，故障极低，可以免维修。(7 低电压：驱动电压低，工作电压为直流，安全。(8 方向性强：平面发光，方向性强。它与点光源白炽灯不同，视角度180°，设计时一定要注
26、意和利用LED光源有不同的视角度和不能大于180°的特点。(9 响应快：响应时间短，只有60ns，启动十分迅速；白炽灯是毫秒数量级。(10 绿色、环保：单色性好，LED光谱集中，没有多余红外、紫外等光谱，热量、辐射很少，对被照物产生影响少。而且不含汞有害物质，废弃物可回收，没有污染。2.2白光 LED的合成白光LED 的合成途径大体上有2 条：第一条是RGB，也就是红光LED+绿光LED+蓝光LED，采用RGB合成白光的办法主要的问题是绿光的转换效率低。第二条是LED+不同色光荧光粉：第一个方法是用紫外或紫光LED+RGB荧光粉来合成LED，这种工作原理和日光灯是类似的，但是比日光灯
27、的性能要优越，其中紫光LED 的转换系数可达80%，各色荧光粉的量子转换效率可以达到90%，还有一个办法是用蓝光LED+红绿荧光粉，蓝光LED效率60%，荧光粉效率70%；还有是蓝光LED+黄色荧光粉来构成白光。 表 2-1 是用不同颜色及数目LED加荧光粉所做成的白光LED的优点及缺点。 表 2-1理想的白光LED 是采用红、绿、蓝三基色发光二极管来合成，三色二极管的光强度可分开控制，形成全彩的变色效果，并可通过波长和强度的选择来得到较佳的演色性。白光LED由于使用的三个二极管都是热源, 散热是其他封装形式的三倍, 芯片光效更会随温度的升高而明显降低 , 并造成其寿命的缩短。为了解决散热,
28、采用有源层中不同的量子阱。用不同的In 组分来控制发光波长，在蓝宝石衬底上依次生长InGaN/GaN 蓝光 LEDs 和 InGaN/GaN 绿光 LEDs结构，当注入电流小于 200mA时，得到了接近白光的发射光谱但色温却高达9000K；采用键合技术制作 GaAs/GaN 白光 LEDs，由于三种芯片的量子效率各不相同, 衰减也不同，最终造成出光颜色不稳定；采用 460nm 蓝光激发YAG (钇铝石榴石）黄光荧光粉来得到白光LED，YAG荧光粉通过吸收一部分蓝光来激发黄光，黄光与没被吸收的蓝光混合产生白光, 这种方法因其结构简单，容易制作，加上 YAG荧光粉制作工艺的成熟，已经广泛应用到白光
29、LED的生产领域；采用440nm 短波长 InGaN/GaN 蓝光 LED 芯片激发高效红、绿荧光粉，该方法可制得低色温高显色性白光 LED，既可避免紫外光激发带来的一系列问题，又可得到较好的色温和演色性。2.3 LED 的未来发展与展望未来 LED 的发展方向：做小尺寸小；做大功率大；做快散热快；做低成本低；独立集成。目前我国的产业链经过多年不断的发展已经相对完善，也具备了一定的发展基础。其中下游产业进入壁垒小，劳动密集型，正适合我国的国情 ; 技术也在不断的突破，现在看来发展这个产业正是时候， LED 本身又具有节能环保的优点，为我国经济社会发展之急需，由此来看我国的 LED产业也具备着相
30、当高的发展机遇。为了更好的掌控 LED 产业，我国也有了自己的技术和产业发展思路：抓住照明产业革命的历史机遇，坚持政府引导，以企业为主体和市场化运作原则，以技术创新为核心，机制创新为保障，在解决市场继续的产业化技术的同时，加大对重大关键技术研发的投入，集中力量，重点突破，实现跨越式发展，通过全球范围内资源的整合，基地建设和龙头企业的培育，形成有自主知识产权和有国际竞争力的新兴产业。在这样一个充满挑战和机遇的环境下，我国的LED产业必将迎来一个崭新的未来。致谢参考文献1、梁春广，张冀.GaN第三代半导体的曙光，半导体学报，1999.2.2、刘一兵 .GaN 基蓝光 LED关键技术发展，湖南大学，
31、2007.11.3、梁春广，张冀.GaN第三代半导体材料的代表，电子工业部第十三研究所.4、 www.EETC,LED 技术全攻略 , 电子工程专辑.5、段猛 , 赫跃 .GaN基蓝色 LED的研究进展 J.西安电子科技大学学报 ( 自然科学版 ,2003,3(1:60-65初步发展阶段 .6、王三胜 , 顾彪 , 徐茵 , 等 .GaN基材料生长及其在光电器件领域的应用J.材料导报 ,2002,16(1:31-35.7、罗毅 , 张贤鹏 , 韩彦军 , 等. 半导体照明关键技术研究J.激光与光电子学进展 ,2007,44(3:17-28.8、孙殿照 . 半导体材料的华丽家族 - 氮化镓材料简
32、介 J.物理 ,2001,30(7:413-419.9、A.Koukitu,M.Mayumi,Y.Kumagai,J.Crys.Growth 246(2002230.10、 V.G.M.,Nowak,G.,Grzegory,I.,2007.Orthodox etching of HVPE-grownGaN.J.Cryst.Growth 305,384 392.11、周晓滢，郭文平，胡卉，等不同Mg掺杂浓度的 GaN材料的光致发光 . 半导体学报， 2002， 23（11）： 1168.12、张国义 , 陆敏 , 陈志忠 . 高亮度白光 LED用外延片的新进展 J.理 ,2007,36(5:377-384.13、李效白 . 氮化镓基电子与光电子器件J.功能材料与器件学报,2000,(3:218-227.14、张萍，刘军林，郑畅达，等. 刻蚀深度对 Si 衬底 GaN基蓝光 LED性能的影响 - 半导体学报 2008,29(3.15、学位论文：李有群Si 衬底 GaN基同侧结构蓝光 LED电致发光特性研究2006.