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GaN材料的特性与应用,GaN发展历程及前景概要

上传人:编辑:Tom

上传时间: 2010-12-10

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  三、GaN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,二是怎样生长完美的单晶。为了实现第一个目的,设计了多种气流模型和多种形式的反应器,最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。生长该材料的典型条件如下:

  NH3:3L/min

  TMGa:20μmol/minV/Ⅲ=6500

  N2:3~4L/min

  H2:2<1L/min

  人们普遍采用Mg作为掺杂剂生长P型GaN,然而将材料生长完毕后要在800℃左右和在N2的气氛下进行高温退火,才能实现P型掺杂。本实验采用 Zn作掺杂剂,DeZ2n/TMGa=0.15,生长温度为950℃,将高温生长的GaN单晶随炉降温,Zn具有P型掺杂的能力,因此在本征浓度较低时,可望实现P型掺杂。

  但是,MOCVD使用的Ga源是TMGa,也有副反应物产生,对GaN膜生长有害,而且,高温下生长,虽然对膜生长有好处,但也容易造成扩散和多相膜的相分离。中村等人改进了MOCVD装置,他们首先使用了TWO—FLOWMOCVD(双束流MOCVD)技术,并应用此法作了大量的研究工作,取得成功。双束流MOCVD生长示意图如图1所示。反应器中由一个H2+NH3+TMGa组成的主气流,它以高速通过石英喷平行于衬底通入,另一路由H2+N2 形成辅气流垂直喷向衬底表面,目的是改变主气流的方向,使反应剂与衬底表面很好接触。用这种方法直接在α—Al2O3基板(C面)生长的GaN膜,电子载流子浓度为1×1018/cm3,迁移率为200cm2/v·s,这是直接生长GaN膜的最好值。

  四、GaN材料的应用

  4.1GaN基新型电子器件

  

  图1:双气流MOCVD生长GaN装置

  

  图2:GaN基器件与CaAs及SiC器件的性能比较

  

  GaN材料系列具有低的热产生率和高的击穿电场,是研制高温大功率电子器件和高频微波器件的重要材料。目前,随着 MBE技术在GaN材料应用中的进展和关键薄膜生长技术的突破,成功地生长出了GaN多种异质结构。用GaN材料制备出了金属场效应晶体管(MESFET)、异质结场效应晶体管(HFET)、调制掺杂场效应晶体管(MODFET)等新型器件。调制掺杂的AlGaN/GaN结构具有高的电子迁移率(2000cm2/v·s)、高的饱和速度(1×107cm/s)、较低的介电常数,是制作微波器件的优先材料;GaN较宽的禁带宽度(3.4eV) 及蓝宝石等材料作衬底,散热性能好,有利于器件在大功率条件下工作。图2示出了GaN电子器件的性能与GaAs和SiCMESFET的比较,从图中可以很好地看到GaN基电子器件具有很好的应用前景。

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