20世纪90年代初,GaN高亮度发光二极管(LED)研制成功,由此掀起了Ⅲ-N化合物研究的热潮。除了在高亮度、短波长LED制造方面的优势之外，CaN的突出优点,还在于它结合了碳化硅的高击穿电场特性和砷化镓、锗硅合金和磷化铟等材料的高频率特性,在进一步提高功率开关器件的工作频率和微波器件的输出功率方面,比碳化硅的潜力更大,应用前景更好。不过,这些器件基本上都是采用异质衬底上的外延层制成的,衬底与外延层之间的晶格失配和热失配常常对器件特性造成严重的不良影响。因此Ⅲ-N化合物体单晶或单晶片的成功制备一直是人们努力的反向。目前,在异质外延薄层品质不断提高的同时,GaN体单晶生长技术已有较大突破,开发了多种生长体单晶或片状单晶的有效方法,其中一些正逐渐走向实用化。
1.基本性质
GaN室温下的禁带宽度Eg=3.4eV,可用来制作发蓝光的LED,因而早在20世纪70年代就受到关注。但是,由于p型掺杂的问题长期未能得到解决,最初的氮化镓LED只能采取MIS结构,其亮度很低,驱动电压却很高,寿命又很短。直到1991年,日本日亚公司( Nichia)的年轻工程师中村修二(时年37岁)利用退火法激活Mg杂质实现GaN的p型掺杂,制成高亮度GaN蓝光LED、1995年又发表了GaN蓝色激光器的报告之后,对GaN材料及其光电子学应用的研究,才很快在世界范围内蓬勃开展起来,并直接引发了各科技大国半导体照明工程的实施。中村修二因此于2006年获得芬兰技术奖励基金会颁发的“千年技术成就奖”( Millennium Technology Prize)。该奖有工程技术界诺贝尔奖的美誉,每两年评选一次,奖励能直接改善和提高人类的生活质量,并对经济的可持续发展产生积极作用的科技成果的创造者。由此也可折射出氮化镓LED的重要性。
如前所述,GaN的功率器件材料优选因子普遍都很高,在兼顾器件的功率和频率方面,比其他材料潜力更大,应用前景更好。开发GaN功率器件的主要方向是微波应用。微波功率晶体管的功率特性经常以器件每单位栅极宽度所能承受的瓦数来表示。微波晶体管中的栅极用来控制源极和漏极间的电流。为获得高功率和高频率,希望栅极宽而短。栅极宽(与电流垂直的方向)可允许通过更大的电流,因此功率更高;栅极短(沿电流方向)可缩短电子的渡越时间。2004年,康奈尔大学和加州大学的GaN功率器件研究小组同时研制出功率密度在10GHz频率下达到或超过10W/mm的GaN晶体管。与之相比,普通硅管只能有效放大最高2-3GHlz的信号;SiC微波器件如果在功率密度上达到这个水平,则其频率一般不会高于3.5CHlz;如果频率能达到10GHIz,则功率密度一般只能达到这个水平的一半;GaAs晶体管的频率也可达到10GHz,但其功率密度在此频率下比SiC微波器件还要低得多,不到1W/mm;使用SiGe可以达到更高的频率,但跟GaAs一样无法得到较高的功率密度。
开关器件的工作频率通常依赖于两个因素,即电子的迁移率和饱和漂移速度。目前GaN在300K时的电子迁移率已达到2000cm2/V·s,比GaAs低,但其饱和漂移速度与GaAs相差不大,约为1.3×107cm/s;随着未来几年材料制备技术的提高,还有可能达到2×107cm/s。在电子迁移率方面也还有可以改善的空间。作为一种尚处在研发期的新材料,其电子迁移率近几年来一直在随着薄膜生长技术和衬底制备技术的改善而不断提高,跟砷化镓1980年代的发展情况有点类似。
衬底是开发GaN器件的主要问题。GaN器件的衬底分为两类,一类是同质衬底,即GaN衬底;一类是异质衬底,即SiC衬底、蓝宝石衬底或Si衬底等。由于目前还没有一种技术能够像硅或砷化镓甚至碳化硅那样成功生长GaN体单晶,GaN衬底只能利用异质厚外延加衬底剥离的办法来获得。这种办法首先要用氢化物气相外延法(HVPE)在异质衬底上生长GaN厚膜。全世界只有很少几家公司掌握了这种技术,因而这种衬底非常昂贵,一片2in Gan衬底售价1万
美元!所以,异质外延目前是GaN器件产业化的有效途径。异质外延一般要使用晶格失配和热失配都不严重的衬底。在目前探索使用的SiC、Si和蓝宝石(sapphire)等衬底材料中,6H-SiC跟GaN的晶格匹配和热匹配都比其他异质衬底更好一些,二者的晶格失配仅有3.5%,而蓝宝石和GaN的晶格失配高达14.8%。此外,SiC的导热性比GaN好,这对改善大功率GaN器件的温度特性也有好处。
除GaN外,其他Ⅲ-N化合物也在20世纪最后10年紧随其后成为化合物半导体的研究热点。AlN因其热导率高,但电阻率接近于绝缘体而被用作大功率器件及其模块以及VLSI(超大规模集成电路)的封装基板。BN虽然熔点很高,难以制备,但其同质异构体中属于闪锌矿结构类型的晶体薄膜具有一系列类似于金刚石薄膜的优异性质,且比金刚石薄膜更容易实现n型和p型掺杂,是理想的高温电子材料。同时,这种薄膜的热胀系数比其他高导热材料更接近于硅和砷化镓,因而也是功率器件及VLSI理想的传热材料。BN体单晶的制备虽然很难,但闪锌矿结构的BN结品薄膜可以用气相沉积法来制备。
GaN和其他3种Ⅲ-N化合物的热力学稳定相都是纤锌矿结构,只在一定条件下才能生成闪锌矿结构。纤锌矿结构的这些化合物的能带结构都是直接跃迁型,以蓝光辐射为中心形成研究热点的也正是这些直接跃迁型材料。在这一点上,Ⅲ-N化合物与其他Ⅲ-V族化合物差距较大,更接近于离子性较强的lI-VI族化合物。这与N的电负性太强有关。
Ⅲ-N化合物的典型n型掺杂剂是Si,而p型掺杂一般选Mg。不过,Mg-H络合物的形成会降低其掺杂效率,而且Mg的电离能也比较高(-0.2eV),室温下只有小部分电离。所以,p型Ⅲ-N化合物的室温电导率总是比预期值低。为了提高p型Ⅲ-N化合物的掺杂效率,需要采用一些后处理工艺来激活Mg杂质。
下表列举了4种纤锌矿结构Ⅲ-N化合物的部分主要特性。与表中4种闪锌矿结构Ⅲ-N化合物的对应数据相比较,不难看出同种材料因结晶形态的不同而具有不同的禁带宽度。一般情况下,立方结构比六角结构的禁带窄一点。
表 纤锌矿结构Ⅲ-N化合物材料的部分特性(300K）
