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 誉为是继头部代 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。

　　在宽禁带半导体材料中，氮化镓由于受到缺乏合适的单晶衬底材料、位错密 度大等问题的困扰，发展较为缓慢，但进入 90 年代后，随着材料生长和器件工 艺水平的不断发展，GaN 半导体及器件的发展十分迅速，目前已经成为宽禁带半 导体材料中耀眼的新星。

　　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。

　　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族化合物中是蕞高的（0.5 或 0.43）。在大气压力下， GaN 晶体一般是六方纤锌矿结构。它在一个元胞中有 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。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 气下蕞为稳定。 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,蕞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 蕞高迁移率 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。未掺杂载流子浓度可控制在

　　①禁带宽度大（3.4eV），热导率高（1.3W/cm-K），则工作温度高，击穿电 压高，抗辐射能力强；

　　②导带底在 Γ 点，而且与导带的其他能谷之间能量差大，则不易产生谷间散 射，从而能得到很高的强场漂移速度（电子漂移速度不易饱和）；

　　③GaN 易与 AlN、InN 等构成混晶，能制成各种异质结构，已经得到了低温 下迁移率达到 105cm2/Vs 的 2-DEG（因为 2-DEG 面密度较高，有效地屏蔽了光 学声子散射、电离杂质散射和压电散射等因素）；

　　④晶格对称性比较低（为六方纤锌矿结构或四方亚稳的闪锌矿结构），具有 很强的压电性（非中心对称所致）和铁电性（沿六方 c 轴自发极化）：在异质结 界面附近产生很强的压电极化（极化电场达 2MV/cm）和自发极化（极化电场达 3MV/cm），感生出极高密度的界面电荷，强烈调制了异质结的能带结构，加强 了对 2-DEG 的二维空间限制，从而提高了 2-DEG 的面密度（在 AlGaN/GaN 异质 结中可达到 1013/cm2，这比 AlGaAs/GaAs 异质结中的高一个数量级），这对器 件工作很有意义。

　　总之，从整体来看，GaN 的优点弥补了其缺点，特别是通过异质结的作用， 其有效输运性能并不亚于 GaAs，而制作微波功率器件的效果（微波输出功率密度 上）还往往要远优于现有的一切半导体材料。

　　一方面，在理论上由于其能带结构的关系，其中载流子的有效质量较大，输 运性质较差，则低电场迁移率低，高频性能差。

　　另一方面，现在用异质外延（以蓝宝石和 SiC 作为衬底）技术生长出的 GaN 单晶，还不太令人满意（这有碍于 GaN 器件的发展），例如位错密度达到 了 108~1010/cm2（虽然蓝宝石和 SiC 与 GaN 的晶体结构相似，但仍然有比较 大的晶格失配和热失配）；未掺杂 GaN 的室温背景载流子（电子）浓度高达 1017cm-3（可能与 N 空位、替位式 Si、替位式 O 等有关），并呈现出 n 型导电； 虽然容易实现 n 型掺杂（掺 Si 可得到电子浓度 1015~1020/cm3、室温迁移率300 cm2/ V.s 的 n 型 GaN），但 p 型掺杂水平太低（主要是掺 Mg），所得空穴浓度 只有 1017~1018/cm3，迁移率10cm2/V.s，掺杂效率只有 0.1%~1%（可能是 H 的补偿和 Mg 的自身电离能较高所致）。

　　因为 GaN 是宽禁带半导体，极性太大，则较难以通过高掺杂来获得较好的金 属-半导体的欧姆接触，这是 GaN 器件制造中的一个难题，故 GaN 器件性能的好 坏往往与欧姆接触的制作结果有关。现在比较好的一种解决办法就是采用异质结， 首先让禁带宽度逐渐过渡到较小一些，然后再采用高掺杂来实现欧姆接触，但这 种工艺较复杂。总之，欧姆接触是 GaN 器件制造中需要很好解决的一个主要问题。

　　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，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。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。为了实现头部个目的，设计了多种气流模型和多种形式 的反应器，蕞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。

　　GaN 材料系列是一种理想的短波长发光器件材料，GaN 及其合金的带隙复盖 了从红色到紫外的光谱范围。自从 1991 年日本研制出同质结 GaN 蓝色 LED 之后， InGaN/AlGaN 双异质结超亮度蓝色 LED、InGaN 单量子阱 GaNLED 相继问世。目 前，Zcd 和 6cd 单量子阱 GaN 蓝色和绿色 LED 已进入大批量生产阶段，从而填补 了市场上蓝色 LED 多年的空白。蓝色发光器件在高密度光盘的信息存取、全光显 示、激光打印机等领域有着巨大的应用市场。随着对Ⅲ族氮化物材料和器件研究 与开发工作的不断深入，GaInN 超高度蓝光、绿光 LED 技术已经实现商品化，现 在世界各大公司和研究机构都纷纷投入巨资加入到开发蓝光 LED 的竞争行列。

　　1993 年，Nichia 公司首先研制成发光亮度超过 lcd 的高亮度 GaInN/AlGaN 异 质结蓝光 LED，使用掺 Zn 的 GaInN 作为有源层，外量子效率达到 2.7％,峰值波 长 450nm,并实现产品的商品化。1995 年，该公司又推出了光输出功率为 2.0mW， 亮度为 6cd 商品化 GaN 绿光 LED 产品，其峰值波长为 525nm，半峰宽为 40nm。 蕞近，该公司利用其蓝光 LED 和磷光技术，又推出了白光固体发光器件产品，其 色温为 6500K，效率达 7.5 流明/W。除 Nichia 公司以外，HP、Cree 等公司相继 推出了各自的高亮度蓝光 LED 产品。高亮度 LED 的市场预计将从 1998 年的 3.86 亿美元跃升为 2003 年的 10 亿美元。高亮度 LED 的应用主要包括汽车照明，交 通信号和室外路标，平板金色显示，高密度 DVD 存储，蓝绿光对潜通信等。

　　在成功开发Ⅲ族氮化物蓝光 LED 之后，研究的重点开始转向Ⅲ族氮化物蓝光 LED 器件的开发。蓝光 LED 在光控测和信息的高密度光存储等领域具有广阔的应 用前景。目前 Nichia 公司在 GaN 蓝光 LED 领域居世界领先地位，其 GaN 蓝光 LED 室温下 2mW 连续工作的寿命突破 10000 小时。HP 公司以蓝宝石为衬底，研制成 功光脊波导折射率导引 GaInN/AlGaN 多量子阱蓝光 LED。Cree 公司和 Fujitsu 公 司采用 SiC 作为衬底材料，开发Ⅲ 族氮化物蓝光 LED，CreeResearch 公司首家报 道了 SiC 上制作的 CWRT 蓝光激光器，该激光器彩霞的是横 向器件结构。富士 通继 Nichia，CreeResearch 和索尼等公司之后，宣布研制成了 InGaN 蓝光激光器， 该激光器可在室温下 CW 应用，其结构是在 SiC 衬底上生长的，并且采用了垂直 传导结构（P 型和 n 型接触分别制作在晶片的顶面和背面），这是首次报道的垂

　　直器件结构的 CW 蓝光激光器 在探测器方面，已研制出 GaN 紫外探测器，波长 为 369nm，其响应速度与 Si 探测器不相上下。但这方面的研究还处于起步阶段。 GaN 探测器将在火焰探测、导弹预警等方面有重要应用。

　　对于 GaN 材料，长期以来由于衬底单晶没有解决，异质外延缺陷密度相当高， 但是器件水平已可实用化。1994 年日亚化学所制成 1200mcd 的 LED，1995 年又 制成 Zcd 蓝光（450nmLED），绿光 12cd(520nmLED);日本 1998 年制定一个采 用宽禁带氮化物材料开发 LED 的 7 年规划，其目标是到 2005 年研制密封在荧光 管内、并能发出白色光的高能量紫外光 LED，这种白色 LED 的功耗仅为白炽灯的 1/8，是荧光灯的 1/2, 其寿命是传统荧光灯的 50 倍～100 倍。这证明 GaN 材料 的研制工作已取相当成功，并进入了实用化阶段。 InGaN 系合金的生成， InGaN/AlGaN 双质结 LED，InGaN 单量子阱 LED，InGaN 多量子阱 LED 等相继开 发成功。InGaNSQWLED6cd 高亮度纯绿茶色、2cd 高亮度蓝色 LED 已制作出来， 今后，与 AlGaP、AlGaAs 系红色 LED 组合形成亮亮度全色显示就可实现。这样三 原色混成的白色光光源也打开新的应用领域,以高可靠、长寿命 LED 为特征的时 代就会到来。日光灯和电灯泡都将会被 LED 所替代。LED 将成为主导产品，GaN 晶体管也将随材料生长和器件工艺的发展而迅猛发展，成为新一代高温度频大功 率器件。

　　GaN 半导体材料的应用首先是在发光器件领域取得重大突破的。1991 年， 日本日亚（Nichia）公司首先研制成功以蓝宝石为衬底的 GaN 蓝光发光二极管 （LED），之后实现 GaN 基蓝、绿光 LED 的商业化。该公司利用 GaN 基蓝光 LED 和磷光技术，开发出了白光发光器件产品，具有高寿命、低能耗的特点。此外， 还首先研制成功 GaN 基蓝光半导体激光器。

　　用 GaN 基高效率蓝绿光 LED 制作的超大屏幕全色显示，可用于室内室外各 种场合的动态信息显示。高效率白光发光二极管作为新型高效节能固体光源，使 用寿命超过 10 万小时，可比白炽灯节电 5~10 倍，达到了节约资源、减少环境污 染的双重目的。目前，GaN 基 LED 的应用十分广泛，您每天都可能会见到它的身 影，在交通信号灯里、彩色视频广告牌上、小孩的玩具中甚至闪光灯里。GaN 基 LED 的成功引发了光电行业中的革命。GaN 基蓝光半导体激光器主要用于制作下 一代 DVD，它能比现在的 CD 光盘提高存储密度 20 倍以上。 利用 GaN 材料，还

　　可以制备紫外（UV）光探测器，它在火焰传感、臭氧检测、激光探测器等方面具 有广泛的应用。

　　此外，在电子器件方面，利用 GaN 材料，可以制备高频、大功率电子器件， 有望在航空航天、高温辐射环境、雷达与通信等方面发挥重要作用。例如在航空 航天领域，高性能的军事飞行装备需要能够在高温下工作的传感器、电子控制系 统以及功率电子器件等，以提高飞行的可靠性，GaN 基电子器件将起着重要作用， 此外由于它在高温工作时无需制冷器而大大简化电子系统，减轻飞行重量。

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