用大面积立式旋转盘MOVPE反应器生长Ⅲ族氮化物材料

为了降低Ⅲ族氮化物材料和器件的成本,必须开发大尺寸的Ⅲ族氮化物MOVPE生长的反应器.本文报道了EMCORE公司的一种带有旋转盘的立式反应器,其中的衬底片载盘直径为325mm.每次沉积过程中,载盘上可以放置21片2英寸直径的衬底片.反应器的内壁通过水冷,其温度可保持在50～60℃之间.衬底片可用电热丝加热,沉积中衬底载盘的旋转速度可达1 000～1 500rpm.本文给出了用这种325mm GaN生长系统生长的未掺杂GaN,InGaN和p-GaN外延层的相关结果.这些结果表明,这种旋转盘的反应器是一种很适合大尺寸载盘的系统,完全满足Ⅲ族氮化物材料体系生长的要求.与在小反应器中生长的材料相比,用这种大反应器生长的材料具有相同的质量.这种325mm的GaN反应器将使制备蓝光和绿光LED所用的Ⅲ族氮化外延材料的生产成本得到显著的降低.     

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。     

半导体材料的华丽家族—氮化镓基材料简介

GaN基氮化物材料已成功地用于制备蓝,绿,紫外光发光器件,日光盲紫外探测器以及高温,大功率微波电子器件,由于该材料具有大的禁带宽度,高的压电和热电系数,它们还有很强的其他应用潜力,诸如做非挥发存储器以及利用压电和热效应的电子器件等,在20世纪80年代末和90年代初,在GaN基氮化物材料的生长工艺上的突破引发了90年代GaN基器件,特别是光电子和高温,大功率微波器件方面的迅猛发展,文章评述了GaN基氮化物的材料特性,生长技术和相关器件应用。     

Ⅲ族氮化物异质结构二维电子气研究进展

本文总结了近年来Ⅲ族氮化物半导体异质结构二维电子气的研究进展。从Ⅲ族氮化物材料晶格结构和特有的极化性质出发,重点讨论了AlGaN/GaN异质结构中二维电子气的性质,总结分析了异质结构中Al组分、势垒层厚度、应变弛豫度、掺杂等对二维电子气浓度和迁移率的影响,同时还涉及AlGaN/GaN/AlGaN,AlGaN/AlN/GaN和AlGaN/InGaN/GaN等异质结构二维电子气性质。     

高Al组分Ⅲ族氮化物结构材料及其在深紫外LED应用的进展

随着高 Ga 组分Ⅲ族氮化物相关研究的日趋深入和生长技术的日益成熟,人们逐渐将研究重心转向具有更宽带隙的高 Al 组分Ⅲ族氮化物.该材料常温下带隙宽至6.2 eV,可覆盖短至210 nm 的深紫外波长范围,具有耐高温、抗辐射、波长易调控等独特优点,因而是制备紫外发光器件的理想材料.目前,高 Al 组分Ⅲ族氮化物材料质量不高,所制备的深紫外 LED 发光器件仍存在内量子效率、载流子注入效率和沿 c 轴方向正面出光效率较低的难题,因而制约了高效紫外发光器件的制备.本文着重介绍了近年来在高 Al 组分Ⅲ族氮化物生长动力学方面的研究进展,总结和梳理了量子结构设计、内电场调控以及晶体场调控等方面的相关研究,以期实现高质量深紫外 LED 的制备.     

Ⅲ族氮化物异质结构二维电子气研究进展

本文总结了近年来Ⅲ族氮化物半导体异质结构二维电子气的研究进展。从Ⅲ族氮化物材料晶格结构和特有的极化性质出发,重点讨论了AlGaN/GaN异质结构中二维电子气的性质,总结分析了异质结构中Al组分、势垒层厚度、应变弛豫度、掺杂等对二维电子气浓度和迁移率的影响,同时还涉及AlGaN/GaN/AlGaN,AlGaN/AlN/GaN和AlGaN/InGaN/GaN等异质结构二维电子气性质。     

在6H-SiC衬底上用低压MOVPE法生长AlN和GaN的过程中用(AlN/GaN)多层缓冲层来控制残余应力

人们已提出用BAlGaN四元系材料制备紫外光谱区的光发射器件.GaN和AlN二元系是这种四元材料在器件应用中的基础材料.6H-SiC衬底在氮化物生长中因其晶格失配小是一大优势,而且SiC衬底的热膨胀系数也和AlN的很接近.然而,对于AlN外延层来说,需要控制其中的残余应力,因为在SiC衬底上直接生长的AlN外延层中存在着因晶格失配所产生的压缩应力.另一方面,在SiC衬底上直接生长的GaN外延层中存在着拉伸应力.这种拉伸应力起源于GaN比衬底有着更大的热膨胀系数.本文讨论了在6H-SiC衬底上生长的氮化物外延层中残余应力的类型、数量及控制.为此目的,提出了在6H-SiC衬底上,无论是生长AlN,还是生长GaN,都可以采用(GaN/AlN)多层缓冲层的办法,作为控制残余应力的有效方法.我们还讨论了AlN和GaN外延层的结晶质量和残余应力间的关系.     

TurboDisc MOCVD设备的理论和应用:流体动力学方法

报道了EMCORE公司的旋转盘反应器,或TurboDisc反应器,这是一种带有旋转盘的立式反应器.衬底片放置在高速旋转的盘上并被加热到合适的生长温度.反应物在初始阶段因高速旋转盘的牵引力被竖直向下地泵入,然后偏斜形成一个与衬底片托盘平行的流动区域.在"GaNzilla”,EMCORE公司的一种新型325mm的GaN生产反应器中外延生长了GaN材料.为在蓝宝石衬底上得到高质量的GaN,采用高的生长压力和高旋转速度,可以在这种旋转盘反应器中实现必要的生长条件.还对p-GaN,InGaN,InGaN多量子阱,以及LED器件进行了类似的实验,都能获得最佳的生长条件.     

多晶金刚石对硅基氮化镓材料的影响

氮化镓(GaN)器件的自热问题是目前限制其性能的关键因素,在GaN材料上直接生长多晶金刚石改善器件的自热问题成为研究的热点,多晶金刚石距离GaN器件工作有源区近,散热效率高,但多晶金刚石和GaN材料热失配可能会导致GaN电特性衰退.本文采用微波等离子体化学气相沉积法,在2 in (1 in=2.54 cm)Si基GaN材料上生长多晶金刚石.测试结果显示,多晶金刚石整体均匀一致,生长金刚石厚度为9—81 μm,随着多晶金刚石厚度的增大, GaN (002)衍射峰半高宽增量和电性能衰退逐渐增大.通过激光切割和酸法腐蚀,将Si基GaN材料从多晶金刚石上完整地剥离下来.测试结果表明:金刚石高温生长过程中,氢原子对氮化硅外延层缺陷位置有刻蚀作用形成孔洞区域,刻蚀深度可达本征GaN层;在降温过程,孔洞周围形成裂纹区域.剥离下来的Si基GaN材料拉曼特征峰峰位, XRD的(002)衍射峰半高宽以及电性能均恢复到本征状态,说明多晶金刚石与Si基GaN热失配产生应力,引起GaN晶格畸变,导致GaN材料电特性衰退,这种变化具有可恢复性,而非破坏性.     

GaN基半导体新热点:从半导体照明到功率电子器件

Ⅲ族氮化物(又称GaN基)宽禁带半导体属于新兴的第三代半导体体系,在短波长光电子器件和功率电子器件领域具有重大应用价值。过去10多年,以蓝光和白光LED为核心的半导体照明技术和产业飞速发展,形成了对国家经济和人民生活产生显著影响的高技术产业。近年来GaN基功率电子器件受到了学术界和产业界的高度重视,形成了新的研发和产业化热点。首先介绍了半导体照明技术和产业的发展历程和现状,分析了当前GaN基LED芯片技术面临的关键科学和技术问题;然后重点介绍了GaN基微波功率器件和电力电子器件的发展历程和动态,包括微波功率器件已经取得的突破性进展和产业化现状,电力电子器件相对Si和SiC同类器件的优势和劣势,并对GaN基功率电子器件当前面临的关键科学和技术挑战进行了较详细的分析。     

气流混合对生长GaN∶Si膜性能影响的研究

用金属有机化学气相沉积技术在三种不同型号的反应管中生长了GaN∶Si膜。通过对样品的光电及结晶性能的分析 ,研究了气流混合时间不同对GaN∶Si膜性质的影响。结果表明 :合理的Ⅲ、Ⅴ族气流混合对提高GaN∶Si膜的光电及结晶性能很重要。Ⅲ、Ⅴ族气流混合太早 ,气流混合时间长 ,GaN∶Si膜的黄带与带边发射强度之比较大 ,X射线双晶衍射半高宽较宽 ;Ⅲ、Ⅴ族气流混合太晚 ,尽管可减少预反应 ,但气流混合不均匀 ,致使GaN∶Si膜的发光性能及结晶性能变差。使用Ⅲ、Ⅴ族气流混合适中的反应管B生长 ,获得了光电及结晶性能良好的GaN∶Si单晶膜。     

气流混合对生长GaN：Si膜性能影响的研究

用金必有机化学气相沉积技术在三种不同型号的反应管中生长了GaN:Si膜。通过对样品的光电及结晶性能的分析，研究了气流混合时间不同对GaN:Si膜性质的影响。结果表明：合理的Ⅲ、Ⅴ族气流混合对提高GaN:Si膜的光电及结晶性能很重要。Ⅲ、Ⅴ族气流混合太早，气流混合时间长，GaN:Si膜的黄带与发射强度之比较大，X射线双晶衍射半高宽；Ⅲ、Ⅴ族气流混合太晚，尽管可减少预反应，但气流混合不均匀，致使GaN:Si膜的发光性能及结晶性能变差。使用Ⅲ、Ⅴ族气流混合适中的反应管B生长、获得了光电及结晶性能良好的CaN:Si单晶膜。     

金属有机化学气相沉积外延技术生长GaN基半导体发光二极管和激光二极管(Ⅰ)

文章评论性地介绍了金属有机化学气相外延技术（MOCVD）生长氮化物半导体GaN和InGaN以及激子局域化效应、量子束缚斯塔克效应对它们的光学性能的影响，详细比较了这两种效应对GaN基半导体发光二极管和激光二极管特性的影响，特别是量子束缚斯塔克效应以显著不同的方式影响着发光二极管和激光二极管的性能；文章还讨论了在A面蓝宝石衬底上生长GaN的情况．     

新型衬底晶体LiGaO2的生长和结晶性质研究

氮化物长期以来被看作是在蓝光及紫外波段光电子应用中最有希望的材料[1].但在改进材料质量方面最大的困难是:缺乏一种能和GaN在晶格及热性能方面十分匹配的理想衬底材料[2].Al2O3被普遍认为可以作为GaN的衬底材料.这主要是由于它具有的结构、热性能好,和生长加工容易等特点.     

用X射线衍射法测定氮化镓马赛克结构中的面内扭转角

Ⅲ-Ⅴ族氮化物半导体材料在发光二极管、激光器和探测器方面有着广泛的应用,采用高分辨X射线衍射来测定用金属有机化学气相沉淀法在蓝宝石衬底上生长的氮化镓外延层马赛克结构的扭转角,分别研究了(0002)、(1013)、(1012)、(1011)、(2021)五个面的X射线摇摆曲线,并且用Pseudo-Voigt方程拟合每一个面的摇摆曲线,我们利用外推法很方便地测得氮化镓外延薄膜的面内扭转角。另外我们采用同步辐射X射线掠入射衍射对样品进行(1100)面反射φ扫描直接测得面内扭转角,对第一种方法进行验证,两种方法测量结果相同。从而提供一种简单、方便的GaN外延层的面内扭转角的测试方法,为深入研究GaN材料奠定良好基础。     

光电子技术与器件 光探测与器件

TN232006010542Ⅲ族氮化物紫外探测器及其研究进展=Ⅲ-nitride ultravi-olet photodetectors and its research development[刊,中]/龚海梅(中科院上海技物所传感技术国家重点实验室.上海(200083)),李向阳…∥激光与红外.—2005,35(11).—812-816简单介绍了紫外波段光电探测的基本特点,包括各波段特点、大气吸收等,粗略介绍了紫外探测的部分应用。对Ⅲ族氮化物宽禁带紫外探测器材料体系的研究进展进行了回顾,重点介绍了P型材料的制备、金属半导体接触、材料的蚀刻等。最后,对国内外近期的紫外探测器,特别是紫外焦平面器件的研究进展作了一…     

分子束外延生长GaN薄膜的新方法

GaN是一种宽禁带半导体材料,非常适合于制作从蓝光到近紫外波段的光电器件,它也是Ⅱ-V族含氮化合物中研究得最充分的材料,近年来在国际上受到很大重视.在材料制备方面初步解决了p型掺杂的困难,从而制成了高功率的发光二极管. 目前生长GaN比较成功的方法是使用有机气体氮源的金属有机物化学汽相淀积.但它所生成的是纤锌矿(六角)结构,而且是生长在蓝宝石衬底上.生长温度也高达1000℃.要使得GaN材料有可能实用,需要采用低温生长的分子束外延(MBE)技术,并在GaAs,Si等半导体衬底上生长出闪锌矿(立方)结构的GaN薄膜.这样才有可能最终解决p型…     

GaN外延片中载流子浓度的纵向分布

采用适合宽禁带半导体材料的电化学电容电压(ECV)分析仪,对掺硅GaN外延片用硫酸逐层进行了精密腐蚀后,在此基础上得到了在进口MOCVD设备上生产的GaN基外延片的载流子浓度纵向分布.探讨了该分布与晶体生长过程及晶体质量的关系,测量分析结果可为生长工艺参数的优化提供参考.还采用主扩散模型对测量结果进行高斯拟合,得出了高温时(1030℃)硅在GaN中的扩散系数,并由此估算了硅在GaN外延片中的扩散宽度.该结果可为GaN外延层结构设计提供参考.     

MOVPE生长氮化物四元系的热力学考虑

本文提出了一个MOVPE生长GaxAlyIn1-x-yN的膺热力学分析模型.假设此合金是由Ⅲ族元素与NH3之间反应生成的.为了计算氨分解的影响,在模型中引入了氨分解率的概念,质量守恒方程是用摩尔量来计算的.我们计算了在不同生长条件下,与GaN晶格匹配的富Ga的GaxAlyIn1-x-yN合金组分和输入的Ⅲ族金属有机化合物摩尔比之间的关系.计算结果表明Al和Ga优先于In进入固相.为了增加固相的In含量应适当降低生长温度、使用氮载气、提高输入反应管的金属有机化合物的分压、采用高V/Ⅲ比值和降低氨分解率.     

纤锌矿GaN外延层薄膜热膨胀行为的变温Raman散射研究

本文对纤锌矿结构GaN外延层薄膜的热膨胀行为进行了研究,结合热膨胀系数的物理意义与变温Raman散射时声子频移的变化规律,研究了热膨胀系数与变温Raman散射之间的关系.结果表明:通过测量Raman声子E_2(high),A_1(TO)和E_1(TO)频移与温度之间的线性关系,结合相应声子Gruneisen参数的涵义,可对纤锌矿结构GaN外延层薄膜在一定温度范围内的热膨胀系数进行测量.本文提供了一种表征纤锌矿结构GaN外延层薄膜热膨胀行为的有效方法,为进一步研究III族氮化物外延层薄膜在生长过程中热膨胀系数的匹配、降低外延层薄膜中的位错密度并提高发光二极管的发光效率提供了理论依据.