GaN材料介紹

1.1ＧａＮ的晶體結(jié)構(gòu)

一般地說(shuō)，ＧａＮ具有三類(lèi)晶體結(jié)構(gòu)，分別為：纖鋅礦，閑鋅礦和巖鹽礦。閃鋅礦和巖鹽礦是比較少見(jiàn)的。它們的晶體結(jié)構(gòu)示意圖有下圖1.1所示。人們所制各的ＧａＮ的結(jié)構(gòu)，一般來(lái)說(shuō)都是纖鋅礦結(jié)構(gòu)，因此著重介紹一下Ｇａｂ］的纖鋅礦結(jié)構(gòu)。ＧａＮ晶體是可以看作山兩套六角密堆積的晶格相互嵌套的纖鋅礦結(jié)構(gòu)。這就是說(shuō)．這種結(jié)構(gòu)相當(dāng)于兩套格子沿著Ｃ軸（０００１）方向錯(cuò)了３／８的晶格常數(shù)位簧，而兩套格子中任何一個(gè)格子都由一類(lèi)原子（Ｎ原子或者Ｇａ原子）構(gòu)成，如1.1圖所示。在纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ＧａＮ中沿Ｃ軸（０００１）方向的原子排序：Ｇａ＾Ｎ＾ＯａｅＮＢＣ３ａ＾Ｎ＾ＧａＢＮＢ等等依次延續(xù)。Ｈ．Ｐ．Ｍａｒｕｓａｋａ和Ｊ．Ｊ．Ｔｉｅｔｊｅｎ［２６】等人給出了被廣泛的接受ＧａＮ的晶格常數(shù)，分別為ａ＝０．３ｌ８９ｎｍ，ｃ－－０．５１８５ｎｍ。

１．２ＧａＮ的化學(xué)性質(zhì)

ＧａＮ的化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，在室溫下，幾乎不與酸和堿的溶液反應(yīng)１２７１。到現(xiàn)階段為

止，只有熔融的ＫＯＨ能比較有效的與ＧａＮ反應(yīng)【２引．而這個(gè)方法被人們用來(lái)檢測(cè)（３ａＮ外延膜的缺陷【２９】。另外，還有電化學(xué)濕法刻蝕，本文會(huì)在后面講到。由于ＧａＮ的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，難以通過(guò)常用的化學(xué)反應(yīng)手段進(jìn)行腐蝕。因此，在ＧａＮ器件的制作過(guò)程中常用干法刻蝕。主要是感應(yīng)耦臺(tái)等離子刻蝕和反應(yīng)離子刻蝕的兩類(lèi)刻蝕方法。這兩類(lèi)的干法刻蝕所用的刻蝕氣體一般是氯元素的化合物或與氯元素與其他氣體的混合，如時(shí)與Ｃ１２的混合氣體，時(shí)與ＢＣｌ３的混合氣等等［３０，３１】。

１．３ＧａＮ的電學(xué)性質(zhì)

ＧａＮ是直接寬帶隙化合物半導(dǎo)體材料，它的電學(xué)性能的好壞決定了這種半導(dǎo)體材料在物理器件方面的表現(xiàn)和應(yīng)用。它的電學(xué)性能的兩個(gè)主要參數(shù)分別是載流子的遷移率和載流子的濃度。一般非故意摻雜的ＧａＮ晶體呈顯ｎ型，它的載流子濃度大于１０１８ｃｍ。。相關(guān)的研究表明ＧａＮ材料的本底電子不是來(lái)源于雜質(zhì)，而是來(lái)自ＧａＮ的本征缺陷。

ＧａＮ材料存在大量的缺陷，是由以下原因造成的?？赡芤蛩刂皇牵牵幔紊L(zhǎng)要求高溫環(huán)境，而高溫氮的蒸汽壓大，易于形成ＶＮ缺陷。可能因素之二是由于缺乏ＧａＮ同質(zhì)襯底，異質(zhì)外延所帶來(lái)的晶格失配導(dǎo)致的缺陷會(huì)使ＧａＮ呈１３型?，F(xiàn)在大家普遍認(rèn)為是本底電子由ＧａＮ晶體中的Ｎ空位（ＶＮ）引起的【３２】。這么的高本底載流子濃度問(wèn)題，一度制約了ＧａＮ基器件的研究的前進(jìn)。

隨著生長(zhǎng)ＧａＮ材料的設(shè)備發(fā)展和工藝優(yōu)化，取得了較大的突破。目前，最低的非故意摻雜的ＧａＮ晶體的載流子濃度已經(jīng)達(dá)至ｌＪｌ０Ｍｃｍ。的數(shù)量級(jí)ｆ３３１是最近報(bào)道的。其在室溫下的電子遷移率能夠達(dá)至１］９００ｃｒｎ２／Ｖ．Ｓｔ３４１。在現(xiàn)階段，通過(guò)摻Ｓｉ生長(zhǎng)成ｎ．ＧａＮ是很容易實(shí)現(xiàn)的。ｎ—ＧａＮ中Ｓｉ形成的是淺施主能級(jí)，發(fā)生在導(dǎo)帶底２２ｍｅＶ處^【３５】，使它們易于電離。故ｎ—ＧａＮ的載流子濃度會(huì)達(dá)到１０Ｈｃｒｎ‘３數(shù)量級(jí)。但是獲得高質(zhì)量的ｐ－ＧａＮ卻有難度。從現(xiàn)階段而言，只有通過(guò)摻Ｍｇ才能穩(wěn)定得到ｐ－ＧａＮ^［３６】。即便如此，如果通過(guò)ＭＯＣＶＤ系統(tǒng)生長(zhǎng)出來(lái)的摻Ｍｇ的ｐ．ＧａＮ不做什么特殊處理，得到晶體呈現(xiàn)的是高阻態(tài)的ＧａＮ。這是因?yàn)橐话闱闆r下所制備的Ｐ型樣品，都是高補(bǔ)償?shù)?。必需進(jìn)一步處理才能夠得到Ｐ型ＧａＮ。

近幾年來(lái)，如何穩(wěn)定可靠的實(shí)現(xiàn)有效的Ｐ型摻雜是急需要的技術(shù)難題。Ａｋａｓａｋｉ等人在１９９９年率先利用低能電子束輻照的方法制備出了表面的Ｐ型摻Ｍｇ的ＧａＮ樣品。Ｎａｋａｍｕｒａｄ的研究小組隨后利用熱退火處理的方法制備出了摻Ｍｇ的ＧａＮ樣品的Ｐ型化。而且這種方法更好更方便。

目前，已經(jīng)可以制備出的Ｐ型ＧａＮ晶體的載流子濃度為１０１６ｃｍ－３～１０”ｃｍ一。因?yàn)椋牵幔问菍捊麕О雽?dǎo)體，所以這種材料的本征載流子濃度的對(duì)溫度的變化不敏感。即在外界的很大溫度的范圍變化時(shí)ＧａＮ基器件或材料保持穩(wěn)定。這種性質(zhì)使得ＧａＮ基器件中只有較小的漏電流或暗電流的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

１．４

ＧａＮ的光學(xué)性質(zhì)

早在２０世紀(jì)中期，人們就開(kāi)始研究ＧａＮ材料了。這是因?yàn)樵谑覝叵?，ＧａＮ的禁帶寬度為３．３９ｅＶ，是寬禁帶直接帶隙半?dǎo)體。它是一種具有優(yōu)良性質(zhì)的短波長(zhǎng)光電子材料。在１９６９年，Ｍａｒｕｓｋａ和Ｔｉｅｔｊ∞利用光致發(fā)光（ＰＬ）的方法測(cè)得ＧａＮ的直接帶隙禁帶寬度是３．３９ｅＶ【３７１，這是第一次關(guān)于ＧａＮ的禁帶寬度的準(zhǔn)確報(bào)道。在其后的１９７０年，Ｐａｎｋｏｖｅ等人也利用ＰＬ測(cè)試了在１．６Ｋ低溫條件下的ＧａＮ晶體在３．４７７ｅＶ處有很強(qiáng)的近帶邊發(fā)射【３引。但受制于當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和生長(zhǎng)工藝，這時(shí)所制備的ＧａＮ的晶體質(zhì)量相對(duì)較差。這就使用那時(shí)所測(cè)得的ＧａＮ禁帶寬度要比實(shí)際的ＧａＮ禁帶寬度要小一些。

隨后的１９７１年，第一次精確給出了３．５ｅＶ的值的是Ｂｌｏｏｍ等人，他們采用的贗勢(shì)法進(jìn)一步糾正了ＧａＮ材料的禁帶寬度值。這個(gè)研究的基礎(chǔ)之上，他們又通過(guò)經(jīng)驗(yàn)的贗勢(shì)法擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到更加精確的能帶結(jié)構(gòu)，更新了他們的數(shù)值^{［３９舯】}。１９９６年，經(jīng)歷了多位科研人員的成果，Ｃｈｅｎ等人的進(jìn)一步研究，精確地給出這樣的數(shù)值：在Ｔ－０Ｋ時(shí)，ＧａＮ的禁帶寬度為３．５０４ｅＶ^［４１１。在Ｔ＝０Ｋ時(shí)的低溫光譜中，他們觀測(cè)到與ＧａＮ價(jià)帶相關(guān)的能級(jí)劈裂的Ａ、Ｂ、Ｃ－－類(lèi)激子的復(fù)合躍遷。他們?cè)俳Y(jié)合光致發(fā)光譜和相關(guān)的理論分析，得到了能帶結(jié)構(gòu)。如下圖１．２所示。

在室溫下，ＧａＮ的ＰＬ譜的發(fā)光峰一般只有兩個(gè)峰，分別是帶邊峰和黃光峰，其中的

黃光峰的能級(jí)在２．２ｅＶ左右。偶爾也會(huì)出現(xiàn)藍(lán)帶峰，在２．９ｅＶ左右。為什么會(huì)出現(xiàn)黃光峰，學(xué)界目前還沒(méi)有公認(rèn)的解釋。有的研究者認(rèn)為：因?yàn)榫w結(jié)晶質(zhì)量較差，由此會(huì)導(dǎo)致室溫下的ＰＬ光譜的帶邊峰的強(qiáng)度會(huì)減弱，黃帶等非本征發(fā)光峰會(huì)因此而增強(qiáng)。大部分研究者認(rèn)為這是淺施主到深受主的躍遷發(fā)射。有學(xué)者認(rèn)為淺施主至）ＪＧａ空位的躍遷是引起黃光峰的原因。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，Ｋ．Ｓａｏｒｉｎｅｎ等學(xué)者^［４２］的實(shí)驗(yàn)表明：會(huì)因Ｇａ空位濃度越大，黃光峰的發(fā)光強(qiáng)度也越強(qiáng)。

目前而言，有關(guān)偶爾出現(xiàn)的２．９ｅＶ左右的藍(lán)帶峰，和它的發(fā)光機(jī)理的研究較少。有的學(xué)者的研究表明^【４３】：自由電子躍遷至ＧａＮ晶體中的由缺陷引起的受主能級(jí)，由此會(huì)致藍(lán)帶峰的產(chǎn)生。另外，在ＧａＮ的低溫ＰＬ譜的測(cè)試過(guò)程中，會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)束縛激子峰、聲子伴線、自由激子峰等帶邊結(jié)構(gòu)。在這些以外，還會(huì)有位于低能帶的施主受主對(duì)峰和它的聲子伴線；以及一些與ＧａＮ晶體中的雜質(zhì)或缺陷有關(guān)的非本征躍遷峰，常見(jiàn)的如位于３．４３ｅｖ和２．２ｅｖ的發(fā)光峰。（免責(zé)聲明：文章來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系作者刪除。）