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GaN基材料的光电器件发展概述。
GaN的性质
GaN具有禁带宽度大、热导率高、电子饱和漂移速度大和介电常数小等特点,在高亮度发光二极管、短波长激光二极管、高性能紫外探测器和高温、高频、大功率半导体器件等领域有着广泛的应用前景.
表1 纤锌矿GaN的特性
带隙能量
E g (300K) = 3.39Ev
E g (116K) = 3.50eV
带隙温度系数(T = 300K)
DEg/dT = -610×10- 4eV/k
带隙压力系数(T = 300K)
DEg/dP = -412×10- 3eV/kbar
晶格常数
a = 0.3189nm
a = 0.5185nm
热膨胀系数(T = 300K)
△a/a = 5.59×10-6K
△c/c = 3.17×10-6K
热导率
k= 113W/cmK
折射率
n (1eV ) = 2.33
n (3138eV ) = 2.67
介电常数
δ0= 8.9
δ0= 9.5
δ0= 5.35
电子有效质量
m c= 0120±0102m0
表2 闪锌矿GaN的特性
带隙能量
E g= 3.30±0.02eV
E g= 3.45eV
E g= 3.2eV
带隙温度系数(T = 300K)
DEg/dT = -610×10- 4eV/k
带隙压力系数(T = 300K)
DEg/dP = -412×10- 3eV/kbar
晶格常数
a= 0.452~ 0.455nm
a= 0.45nm
a= 0.4531nm
a= 0.45nm
a= 0.452±0.05nm
热膨胀系数(T = 300K)
△a/a = 5.59×10-6K
△c/c = 3.17×10-6K
热导率
k= 113W/cmK
折射率
n (1eV ) = 2.33
n (3138eV ) = 2.67
介电常数
δ0= 8.9
δ0= 9.5
δ0= 5.35
电子有效质量
m c= 0120±0102m0
二、GaN 材料生长技术
每种新器件的诞生,都依赖于薄膜生长技术的发展。随着分子束外延(MBE)生长技术的日渐成熟和完善,为新一代半导体器件所需的微结构材料的生长,提供了必要条件,对推动新一代半导体技术的发展起了重要作用。目前尚无实用化的GaN衬底,在其它衬底上多采用异质外延生长的方法,以MBE、MOCVD异质外延生长技术为主。选择的异质节衬底主要材料为蓝宝石、SiC、Si、GaAs、GaP等, 以蓝宝石较为常用。外延生长技术MBE、 MOCVD为GaN晶体生长带来了飞跃的进步。利用MBE 技术成功地解决了Ⅲ-Ⅴ族氮化物的薄膜生长及掺杂工艺,解决了MBE生长GaN薄层的关键问题氮气源。提供氮气源的方法于有很多,如用电子回旋共振(ECR)、射频(RF)等离子增强(PE)等方法激励N原子的产生,其中最成功的是RF等离子体源和电子回旋共振(ECR)微波等离子体源。与生长温度在1000℃以上的MOCVD相比, MBE系统用于氮化物生长的一个重要优点是结晶性好、生长温度低、产生的热应力小, 这对热膨胀失配较大的AlGaN合金来说十分重要。另外MBE生长薄膜过程是在超真空环境中, 可实现束流的原位监测以及使用高能电子衍射仪(RHEED)观察薄膜生长质量, 并可实现单原子层生长。反应分子束外延技术, 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Ⅲ族氮化物。利用该技术, 在800℃下先生长几十纳米厚的AlN 缓冲层, 然后再生长GaN 薄膜材料,获得了器件级n 型GaN 薄膜材料,圆满地解决了氮空位数与n型载流子浓度相当的问题。以NH3作氮源、C面蓝宝石为衬底的RMBE法生长的掺镁p型GaN 薄膜,其空穴浓度可高达2×1018cm - 3 , 空穴迁移率为25cm 2/V ·s。同样用RMBE 法也可制备出掺铍的p 型GaN 薄膜, 但其空穴浓度没有掺镁的材料高。90 年代GaN 薄膜材料生长技术取得质的飞跃, 成功地解决了器件质量薄膜材料的生长,实现了p 型掺杂, 获得了符合器件要求的p 型GaN 薄膜, 解决了GaN 基固溶体InGaN、AlGaN 的生长工艺, 为蓝、绿色LED 和蓝光LD以及各种FET 和光探测器的制备奠定了材料基础, 从而为新器件的开发和研究打开了光明之门。
GaN 基半导体激光器的发展
1997年在日本德岛举行的GaN国际会议上,日亚宣布室温连续激射的GaN 蓝光激光器工作寿命已突破10000h. 此后,世界各大公司和实力雄厚的大学与研究单位都投入研究,相继取得重大突破,实现了电注入的受激发射.表2 给出了世界上研制出蓝光激光器的公司和研究单位(统计截止日期为2002年6月).
日亚公司的蓝光激光器的发展
2001以前,GaN 基蓝
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