氮化镓基发光二极管产业化中的材料物理问题

第三代半导体氮化镓化合物半导体已成为蓝光发光二极管的主流材料,国际上的产业化已成规模,国内也有多家处于中试阶段,由于氮化镓基材料中有如此多的问题没有解决,材料制备设备,器件工艺也极需改进及优化,这既给了中国科研人员及工程技术人员一个机遇,也使他们面临着严峻的挑战.     

第三代半导体Ⅲ族氮化物的物理与工程——从基础物理到产业发展的典范

以氮化镓(GaN)为代表的Ⅲ族氮化物属于宽禁带半导体,即通常所谓"第三代"半导体材料。作为Si、Ge以及传统Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体之后的新一代半导体材料,GaN具有更大的禁带宽度、更高的击穿电场、更稳定的物理化学性质等优异特性,已经成为半导体研究极为重要的领域和国家重大研究方向。尽管Ⅲ族氮化物的晶体质量与传统半导体材料相比仍然有很大差距,但并不妨碍Ⅲ族氮化物及其量子结构在光电器件及电子器件中的广泛应用,围绕GaN及其他相关氮化物半导体的研究和开发,在物理与工程方面都具有极为特殊的意义,是基础物理研究和产业化应用结合的典范。     

p型氮化镓的低温生长及发光二极管器件的研究

采用金属有机物化学气相淀积技术(MOCVD)在蓝宝石衬底上低温(870—980℃)生长p型氮化镓 (p-GaN).用Hall测试仪测量材料的电学性能，发现当温度低于900℃时，材料的电阻率较高 ；在900—980℃均可获得导电性能良好的p-GaN.另外，电导性能除与掺杂浓度有关，还与p- GaN生长条件有关，氮镓摩尔比过低导电性能就较差，过高则会引起表面粗糙.采用优化后的 p-GaN制作了绿光发光二极管器件，发现生长温度越低器件发光强度越高，反向电压也越高 ，但正向电压只是略有升高. 关键词： Ⅲ-Ⅴ族半导体 氮化镓 发光二极管 金属有机物化学气相淀积     

光子晶体的能态密度及带隙特性

基于平面波展开法数值模拟了硅、锗、磷化铝和氮化镓三代半导体材料构成三角晶格光子晶体的带隙特性,并且验证了文献[3]中这几种材料构成光子晶体能态密度的分布,两者数据吻合较好,研究结果为光子晶体器件的构造提供理论依据。     

氨热法生长氮化镓晶体的数值模拟

氮化镓晶体是继单晶硅之后的一种新型的半导体材料。本文利用有限体积法模拟了氨热法生长氮化镓晶体中流场的瞬态特性,研究了隔板开孔10%时流场结构、温度场、浓度场。发现对于隔板开孔率(10%)的情形,中心开孔及边缘间隙的平均速度表现为振荡的特性,中心开孔速度大多是正的,边缘开孔大多是负的。大的温度梯度发生在在高压釜壁面与液体的交界处与隔板周围。物质由多孔介质区向生长区输运。     

氮化物垂直腔面发射激光器的发展与挑战(特邀)

垂直腔面发射激光器凭借阈值低、发散角小、调制速率高以及输出光束呈圆斑对称等特点,迅速成为当下半导体激光器的研究热点.氮化镓(GaN)材料是制造紫外到绿光波段光电子器件的理想材料,经过四十余年的研究,蓝光和绿光LED在照明、显示等领域得到广泛应用.技术含量更高的激光器件也已进入了应用的快车道,即将覆盖照明、通信、投影显示...     

大失配、强极化第三代半导体材料体系生长动力学和载流子调控规律

高质量氮化镓(Ga N)材料是发展第三代半导体光电子与微电子器件的根基。大失配、强极化和非平衡态生长是Ga N基材料及其量子结构的固有特点,对其生长动力学和载流子调控规律的研究具有重要的科学意义与实用价值,受到各国科学界与产业界广泛高度重视。本文对大失配、强极化氮化物半导体材料体系外延生长动力学和载流子调控规律进行了研究,旨在攻克蓝光发光效率限制瓶颈,突破高Al和高In氮化物材料制备难题,实现高发光效率量子阱和高迁移率异质结构,制备多波段、高效率发光器件和高频率、高耐压电子器件,实现颠覆性的技术创新和应用,带动电子材料产业转型升级。     

应变对两层半氢化氮化镓薄膜电磁学性质的调控机理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理模拟计算,研究了在应变作用下两层半氢化氮化镓纳米薄膜的电学和磁学性质.没有表面修饰的两层氮化镓纳米薄膜的原子结构为类石墨结构,并具有间接能隙.然而,当两层氮化镓纳米薄膜的一侧表面镓原子被氢化时,该纳米薄膜却依然保持纤锌矿结构,并且展示出铁磁性半导体特性.在应变作用下,两层半氢化氮化镓纳米薄膜的能隙可进行有效调控,并且它将会由半导体性质可转变为半金属性质或金属性质.这主要是由于应变对表面氮原子的键间交互影响和p-p轨道直接交互影响之间协调作用的结果.该研究成果为实现低维半导体纳米材料的多样化提供了有效的调控手段,为其应用于新型电子纳米器件和自旋电子器件提供重要的理论指导.     

扶手椅型氮化镓纳米管电子结构与传输特性的研究（英文）

本文采用密度泛函理论和非平衡格林函数对扶手椅型氮化镓纳米管(n,n)(2≤n≤10)的电子结构和输运性质进行了研究.结果表明,所有的扶手椅型氮化镓纳米管都是间接带隙半导体,带隙随着纳米管直径的增加而增加,并且得到了两极体系下氮化镓纳米管的电流-电压曲线.氮化镓纳米管的半导体特性随着纳米管直径的增加越来越明显,电子态密度和电子透射光谱都具有脉冲型尖峰并且最大峰值随着n的增加而增加.这说明电子态密度和电子透射光谱峰在能量范围内,有较好的对应关系.     

扶手椅型氮化镓纳米管电子结构与传输特性的研究

本文采用密度泛函理论和非平衡格林函数对扶手椅型氮化镓纳米管（n,n）（2≤ n ≤10）的电子结构和输运性质进行了研究。结果表明,所有的扶手椅型氮化镓纳米管都是间接带隙半导体,带隙随着纳米管直径的增加而增加,并且得到了两极体系下氮化镓纳米管的电流-电压曲线。氮化镓纳米管的半导体特性随着纳米管直径的增加越来越明显,电子态密度和电子透射光谱都具有脉冲型尖峰并且最大峰值随着n的增加而增加。这说明电子态密度和电子透射光谱峰在能量范围内,有较好的对应关系。     

GaN激子跃迁的时间分辨光谱学研究

用时间分辨光谱学方法研究低压有机金属化学汽相沉积生长的ＧａＮ中自由，束缚激子（ＢＸ）的跃迁，讨论了这些跃迁的光致发光谱，复合寿命及其与温度的关系，给出了中性施主束缚激子和自由激子（ＦＸ）的辐射复合寿命分别为０．１２ｎｓ和０．４ｎｓ。     

Modeling of trap-assisted tunneling in AlGaN/GaN heterostructure field effect transistors with different Al mole fractions

Although significant progress has been achieved in GaN based high power/high frequency electronic devices, surface-related problems still need an immediate solution. In particular, leakage currents through Schottky contacts not only impede device reliability but also degrade power efficiency and noise performance in such devices. This article discusses the mechanism of leakage currents through GaN Schottky and AlGaN/GaN Schottky interfaces for both forward and reverse biases. A theoretical model for the calculation of currents based on trap-assisted tunneling is discussed. In the calculation the trap energy has been assumed as a fitting parameter which is about 0.48 eV for different Al mole fractions. The comparison of the results obtained with the existing experimental data in the literature shows a good agreement.     

石英衬底上GaN薄膜沉积及其光学性能的研究

GaN薄膜材料广泛应用于发光二极管(LED),激光二极管(LD)等光电器件。但是GaN基器件的制备与应用以及器件推广很大一部分取决于其器件的价格,常用的方式是在单晶蓝宝石衬底上沉积制备GaN薄膜样品,单晶蓝宝石衬底晶向择优,可以制备出高质量的GaN薄膜样品,但是单晶蓝宝石衬底价格昂贵,一定程度上限制了其GaN基器件推广使用。如何在廉价衬底上直接沉积高质量的GaN薄膜,满足器件的要求成为研究热点。石英玻璃价格廉价,但是属于非晶体,没有择优晶向取向,很难制备出高质量薄膜样品。本研究采用等离子体增强金属有机物化学气相沉积系统在非晶普通石英衬底上改变氮气反应源流量低温制备GaN薄膜材料。制备之后采用反射高能电子衍射谱、X射线衍射光谱、室温透射光谱和光致光谱对制备的薄膜进行系统的测试分析。其结果表明：在氮气流量适当的沉积参数条件下,所制备的薄膜具有高C轴的择优取向,良好的结晶质量以及优异的光学性能。     

Advanced Processing of GaN for Electronic Devices

This review focuses on understanding and optimization of several key aspects of GaN device processing. A novel rapid thermal processing up to 1500°C, in conjunction with AlN encapsulation, has been developed. The activation processes of implanted Si or Group VI donors, and common acceptors in GaN by using this ultrahigh-temperature annealing, along with its effects on surface degradation, dopant redistribution, and damage removal have been examined. 1400 degrees has proven to be the optimum temperature to achieve high activation efficiency and to repair the ion-induced lattice defects. Ion implantation was also employed to create high-resistivity GaN. Damage-related isolation with sheet resistances of 10¹² Ω/square in n-GaN and 10¹⁰ Ω/square in p-GaN has been achieved by implant of O and transition metal elements. The effects of surface cleanliness on characteristics of GaN Schottky contacts have been investigated, and the reduction in barrier height was correlated with removing the native oxide that forms an insulating layer on the conventionally cleaned surface. W alloys have been deposited on Si-implanted samples and Mg-doped epilayers to achieve ohmic contacts with low resistance and better thermal stability than the existing non refractory contact schemes. Dry etching damage in GaN has been studied systematically using Schottky diode measurements. Wet chemical etching and thermal annealing processes have been developed to restore the ion-degraded material properties. Based on these technical improvements, attempts have been made to demonstrate GaN-based bipolar transistors. The devices operated in common base mode at current densities up to 3.6?kAcm^?2and temperatures up to 300°C. The key issues that currently limit the device performance, such as high base resistance, poor impurity control, and defects resulting from the heteroepitaxial growth, have been addressed. A physically based simulation suggested that GaN bipolar devices may still suffer from small minority-carrier lifetime in the absence of aforementioned processing problems.     

GaN基异质结缓冲层漏电分析

通过对GaN基异质结材料C-V特性中耗尽电容的比较,得出AlGaN/GaN异质结缓冲层漏电与成核层的关系.实验结果表明,基于蓝宝石衬底低温GaN成核层和SiC衬底高温AlN成核层的异质结材料比基于蓝宝石衬底低温AlN成核层异质结材料漏电小、背景载流子浓度低.深入分析发现,基于薄成核层的异质结材料在近衬底的GaN缓冲层中具有高浓度的n型GaN导电层,而基于厚成核层的异质结材料的GaN缓冲层则呈高阻特性.GaN缓冲层中的n型导电层是导致器件漏电主要因素之一,适当提高成核层的质量和厚度可有效降低GaN缓冲层的背景载流子浓度,提高GaN缓冲层的高阻特性,抑制缓冲层漏电. 关键词： AlGaN/GaN异质结 GaN缓冲层 漏电 成核层     

基于原位等离子体氮化及低压化学气相沉积-Si_3N_4栅介质的高性能AlGaN/GaN MIS-HEMTs器件的研究

通过对低压化学气相沉积(LPCVD)系统进行改造,实现在沉积Si_3N_4薄膜前的原位等离子体氮化处理,氮等离子体可以有效地降低器件界面处的氧含量和悬挂键,从而获得了较低的LPCVD-Si_3N_4/GaN界面态,通过这种技术制作的MIS-HEMTs器件,在扫描栅压范围V_(G-sweep)=(-30 V,+24 V)时,阈值回滞为186 mV,据我们所知为目前高扫描栅压V_(G+)(20 V)下的最好结果.动态测试表明,在400 V关态应力下,器件的导通电阻仅仅上升1.36倍(关态到开态的时间间隔为100μs).     

Theoretical study of indirect excitons’ lifetime in coupled AlGaN/GaN quantum wells in the presence of an electrostatic trap

The lifetime of electrostatically trapped indirect excitons in a field-effect structure based on coupled AlGaN/GaN quantum wells has been theoretically studied. Within the plane of a double quantum well, indirect excitons are trapped between the surfaces of the AlGaN/GaN heterostructures and a semitransparent metallic top gate. The trapping mechanism has been assumed to be a combination of the quantum confined Stark effect and local field enhancement. In order to study the trapped exciton lifetime, the binding energy of indirect excitons in coupled quantum wells is calculated by finite difference method in the presence of an electric field. Thus, the lifetime of trapped excitons is computed as a function of well width, AlGaN barrier width, the position of double quantum well in the device and applied voltage.     

GaN基肖特基势垒二极管结构优化研究进展

作为宽禁带半导体器件,GaN基肖特基势垒二极管(SBD)有耐高压、耐高温、导通电阻小等优良特性,这使得它在电力电子等领域有广泛应用。本文首先综述了SBD发展要解决的问题;然后,介绍了GaN SBD结构、工作原理及结构优化研究进展;接下来,总结了AlGaN/GaN SBD结构、工作原理及结构优化研究进展,并着重从AlGaN/GaN SBD的外延片结构、肖特基电极结构以及边缘终端结构等角度,阐述了这些结构的优化对AlGaN/GaN SBD性能的影响;最后,对器件进一步的发展方向进行了展望。     

AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管温度传感器特性

本文制作了基于无栅AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管结构的温度传感器,并对其温度相关的电学特性进行了表征.实验测试了器件从50℃到400℃的变温电流-电压特性,研究了器件灵敏度随着器件沟道长宽比的变化,并研究了在300—500℃高温的空气和氮气中经过1 h恒温加热后器件的电学特性变化.理论与实验研究结果表明,随着器件沟道长宽比的增大,器件的灵敏度会随之上升;在固定电流0.01 A下,器件电压随温度变化的平均灵敏度为44.5 mV/℃.同时,稳定性实验显示器件具有较好的高温保持稳定性.     

Preparation and characterization of room-temperature ferromagnetism GaMnN based on ion implantation

This paper reports the fabrication of GaMnN ferromagnetic semiconductor on GaN substrate by high-dose Mn ion implantation. Both the structural and optical properties for Mn+-implanted GaN material were studied by X-ray diffraction, Raman scattering and photolumi-nescence. The results reveal that the implanted manganese incorporates on Ga site and GaMnN ternary phase is formed in the substrate. The magnetic behavior has been characterized by superconducting quantum interference device. The material shows room-temperature ferromagnet-ism. The temperature-dependent magnetization indicates different mechanism for ferromagnetism in Mn+-implanted GaN.