GaN基LED外延生长24/10/1922/18内容•GaN材料的特性•GaN基LED的基本结构•蓝宝石衬底上GaN基LED外延材料的生长•GaN基LED外延的晶体评测技术24/10/1935/281、GaN材料的特性3/18GaN基材料属于Ⅲ/Ⅴ族半导体，是继Si基半导体和GaAs、InP基半导体之后的新一代宽禁带半导体材料。GaN基材料属于直接带隙半导体材料，因此非常适合制作发光器件。OECEV能量OECEV能量能量动量能量动量直接带隙情况间接带隙情况24/10/1945/281、GaN材料的特性4/18与传统第一、二代半导体材料的性质差异：1.GaN基材料热导率接近于Si，相比GaAs材料高的多。2.GaN基材料熔点相比传统半导体材料高很多，此外GaN基材料具有十分良好的抗腐蚀性能和很高的硬度，这使得它能适应在高温等恶劣环境下工作。3.GaN具有很高的电子饱和漂移速度，因此可制作高频、高速器件。4.GaN击穿电场比其它半导体材料高，可在更高的偏置电压下工作，能满足高功率的工作要求。5.含In的GaN基材料具有独特的发光特性。24/10/1955/281、GaN材料的特性5/18极化特性：GaN基材料属于Ⅲ/Ⅴ族半导体，但它与常用的GaAs基等材料的闪锌矿结构不同，它既具有闪锌矿结构又具有纤锌矿结构。纤锌矿结构的GaN与传统的Ⅲ/Ⅴ族半导体材料有许多不同之处，其中一个最重要的不同就是纤锌矿结构的GaN在[0001]方向是有极性的。在闪锌矿结构中存在对称面，正负离子的中心相互重合，所以材料没有极化产生。而对于纤锌矿结构，为非中心对称结构，在[0001]方向并不存在对称面，正负离子的中心有所偏离，因而产生极化，这个就称为自发极化。在宏观的平衡状态下，它的总极化电荷并不为零，所以GaN基材料表现为极性材料。纤锌矿结构中也存在非极性面，如m(1-100)、a(11-20)都是GaN材料的非极性面。24/10/1965/281、GaN材料的特性6/18镓极性和氮极性比较：Ⅲ/Ⅴ族氮化物系列材料中，传统MOCVD生长出的外延层，其晶体的堆叠方式可能是纤锌矿结构，也可能是闪锌矿结构。而目前生长GaN基材料大部分在蓝宝石的[0001]方向上生长，具有纤锌矿结构，因此这些GaN基材料都是有极性的。这时的GaN材料有两种，一种是镓极性的，一种是氮极性的。这两种材料虽然都是纤锌矿结构，但是物理性质、电学性质却有很大的区别：1.镓极性GaN外延层易于实现表面平整的晶体，而氮极性GaN表面则布满了六角形的金字塔结构的粗糙表面。2.稳定性差异：两种不同极性的GaN的化学腐蚀特性恰好相反，镓极性GaN耐酸碱，氮极性GaN能被KOH溶液所腐蚀；氮极性GaN在950-1000℃时升华，而镓极性GaN在1000℃以上时仍然是稳定的。3.利用MOCVD生长GaN材料时，碳、氧、铝等杂质更容易进入氮极性的GaN薄膜，因此氮极性GaN中的载流子浓度远高于镓极性GaN，即有背景掺杂浓度相对高得多。同时，镓极性GaN相对于氮极性GaN具有更高的电子迁移率。4.镓极性GaN更易于实现Mg掺杂，其掺杂效率为氮极性GaN的30倍；做金属p型GaN欧姆接触时，镓极性GaN的接触电阻比氮极性小了两个数量级。从以上两种极性GaN基材料性质对比，镓极性GaN相比氮极性GaN具有更好的外延质量和电学性能，因此制取高质量GaN基半导体器件，通常在外延生长过程中控制镓极性GaN。24/10/1977/182、GaN基LED的基本结构GaNLED外延的结构24/10/1988/183、蓝宝石衬底上GaN基LED外延材料的生长GaN基外延的技术难点GaN基LED外延工艺还不够成熟，依然存在许多技术难点：1.衬底和GaN晶格失配和热失配大，导致外延生长出来的GaN有较多的晶格缺陷、位错和翘曲等；(见表一)2.NH3裂解温度很高，GaN材料的生长温度下，只有小部分NH3被裂解；3.GaN材料的生长温度很高，必须考虑热扩散造成的影响；4.TMAl等源与NH3之间存在着严重的预反应；5.较难获得高载流子浓度的p-GaN材料。由于GaN体材料最常见的点缺陷是N空位，呈现出N型特征，要在GaN材料中获得p-GaN，需要注入较多的Mg原子，但Mg原子大部分是作为间隙原子进入GaN材料中去的，在GaN材料中能级位置较深，其激活能为170meV，能被有效激活的原子占比很少，高迁移率的p-GaN较难获得(在AlGaN材料中，Mg的离化率更低)；6.较强的极化效应影响。GaN基材料存在较大的自发极化，在GaN基材料中构成的异质结构，存在极强的压电极...
