氮化物材料

N系化合物—第三代半导体
N系化合物—第三代半导体
相比于第一代和第二代半导体材料，III族氮化物具有如下特点：
极化效应强。当两种不同的材料组成异质结时，会由于自发极化和压电极化的不连续导致 在异质结界面处产生极化电荷。例如[0001]晶向的AlGaN/GaN异质结中，极化效应大小的不 连续会导致在异质结处产生正的极化电荷，其面密度可高达1013 cm-2量级。正极化电荷对电 子具有吸引作用，使得AlGaN/GaN异质结不用掺杂就可以实现很高的二维电子气(2DEG) 密 度。由于不用掺杂，2DEG不会受到电离杂质散射的影响，有利于制备高电子迁移率晶体管 (HEMT)。 稳定性好。III族氮化物，特别是GaN和AlN，具有耐高温、不易腐蚀、热导率好、抗辐照能 力强、以及击穿电压高等特点，使其成为工作在高温、大功率以及极端环境下的器件的理想 选择。 禁带宽宽可调范围大。稳定相的AlN、GaN和InN均为直接带隙半导体，其室温下禁带宽度 分别为6.2 eV、3.39 eV和0.7 eV。将两种或三种材料组成三元或四元合金，可以实现材料的 禁带宽度从0.7 eV到6.2 eV连续可调，相应的光谱覆盖了整个可见光波段以及一部分的近红外 和紫外波段，非常有利于研制多种工作波长的光电器件，如发光二极管、半导体激光器、光 电探测器以及太阳能电池等。
MOCVD (CH3)3Ga (g)+ NH3(g) GaN (s) + 3CH4
原料成本高 一般III族氮化物材料或结构生长中需要用到的III族生长源有三甲基镓(TMGa)、三乙基 钾(TEGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)等；p型掺杂源有二茂镁(Cp2Mg)、二 乙基锌(DEZn)等；深能级掺杂源有二茂铁(Cp2Fe)等。 寄生反应强 金属有机源，特别是TMGa和TMAl，为典型的刘易斯(Lewis) 酸，而NH3则为Lewis 碱，酸和碱结合会发生寄生反应，生成不易分解的大分子或者氮化物颗粒。寄生反应 对氮化物的生长没有贡献，会造成原料的消耗和浪费，生成的颗粒物质也会落到基片 表面，造成外延片的污染，对后续的器件制备造成困难。 高In组分InGaN和高Al组分AlGaN生长困难 由于InN的分解压高，在常用的低压MOCVD中生长高In组分InGaN需要降低生长温度。 低生长温度会导致高In组分的InGaN的晶体质量不高，器件效率低下。另外，由于 GaN和InN互溶率低，高In组分InGaN中会出现相分离现象。而对于高Al组分AlGaN 而言，由于AlN的表面迁移率低，高Al组分AlGaN往往难以形成二维生长，材料的表 面形貌很差。
N系化合物—LED
Shizuo Fujita, ‘Wide-bandgap semiconductor materials: For their full bloom’, Japanese Journal of Applied Physics 54, 030101 (2015)
N系化合物—生长
生长技术—外延生长
化合物半导体材料生长与表征 2016春季
氮系化合物及其外延生长
N系化合物
N系化合物
N系化合物
N系化合物
氮化物半导体晶体材料存在六方纤锌矿（wurtzite）和 立方闪锌矿（zinc-blende）两种不同的晶体结构 GaN
a轴：0.3189nm c轴：0.5185nm 热力学稳态结构
0.451nm 亚稳态结构
N系化合物—生长
生长技术—晶体生长
Tanya Paskova and Keith R. Evans, IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 15, NO. 4, JULY/AUGUST 2009
N系化合物—生长
N系化合物
氮化物材料的极化效应
通常材料生长方向为[0001]时称之为Ga面极性（Ga面生长），产生的自发极化 与生长方向相反；反之为N面极性（N面生长），自发极化与生长方向相同。 不同极性面的物理性质和化学性质，如与酸碱的反应、表面吸附、肖特基势垒和 异质界面能带带阶等方面，表现出明显的差异。 O. Ambacher, J. Phys. D: Appl. Phys. 31 (1998)
N系化合物—射频器件
N系化合物—射频器件
几种材料射频功率器件的性能比较
N系化合物—射频器件
几种材料射频功率器件的性能比较
N系化合物—LED
GaAsP
InGaN/GaN
N系化合物—LED
Shizuo Fujita, ‘Wide-bandgap semiconductor materials: For their full bloom’, Japanese Journal of Applied Physics 54, 030101 (2015)
N系化合物—HEMT
AlGaN/GaN异质结HEMT器件结构图
N系化合物—HEMT
相对Si 以及GaAs 材料来说，新一代氮化物材料自身存在着很强的极化 效应，使得AlGaN/GaN、InAlN/GaN 异质结在不掺杂的情况下，沟道中都 存在高浓度的二维电子气，其面密度可高达1013cm-2，比AlGaAs/GaAs 系 统高了一个数量级。 目前大家广泛认为AlGaN/GaN 异质结沟道中的二维电子气来源于 AlGaN 表面的离化施主表面态。
N系化合物
氮化物材料的极化效应
非中心对称晶体，晶体具有极轴，纤锌矿结构氮化物的极轴即c轴。氮化物半导 体由于III族原子和N原子之间的化学键具有很强的极性，存在强烈的自发极化效应。 在GaN材料中，由于晶格常数比c/a小于理想因子1.633，导致极化矢量P1大于极 化矢量P2（P1>P2），产生的自发极化Psp与[0001]方向相反，即为[000-1]。
N系化合物—生长
生长技术—晶体生长
氨热法Ammonothermal Growth
所用 高压 釜分两 个 区 ，溶解 区 的坩 埚 内放 合成 GaN原料 ，籽 晶 固定 在生 长 区内 ，两个 区有 一 个孔 相连 ，其 中充 满 氨溶 液 。 首先 GaN料在 溶 解 区 溶 解 于含氨 和碱金 属离 子的溶 液 ，GaN在 该溶 液 中 的 溶解 度有负 的 温度 系数 ，所 以生 长区温度 要高 于溶 解 区。生长 温 度一 般 为 400—600℃ ，压力 100—180 MPa，生 长速率 一般 不超 过 100µm／天 。 这 种方法 的缺 点是生 长速率 太慢 ，同时很 难得 到高纯材 料 ，矿化剂、高压釜都造成 GaN晶体 中 出现一些金属 杂质 。
N系化合物—第三代半导体
Shizuo Fujita, ‘Wide-bandgap semiconductor materials: For their full bloom’, Japanese Journal of Applied Physics 54, 030101 (2015)
N系化合物
Shizuo Fujita, ‘Wide-bandgap semiconductor materials: For their full bloom’, Japanese Journal of Applied Physics 54, 030101 (2015)
N系化合物
氮化物材料的极化效应
在外加应力条件下，晶体中会因为晶格变形导致正负电荷中心分离，形成偶极矩Байду номын сангаас 偶极矩的相互累加导致在晶体表面出现极化电荷，表现出压电极化效应。 在Ga极性面的氮化物晶体中，当外延材料受到双轴张应力时，材料结构单元晶 胞中金属阳离子与其下面的三个氮原子之间的键角θ变大，这时由于金属阳离子与其 下面的三个氮原子之间的合极化矢量P2变小而使得整个结构单元中P1>P2，进而在材 料中产生一个[000-1]方向的压电极化。而当材料受到双轴压应力时，键角θ变小使得 合极化矢量P2增大，此时P1<P2，材料中产生一个[0001]方向的压电极化。
生长技术—晶体生长
N系化合物—生长
生长技术—外延生长
Plasma-assisted MBE
The MBE procedure is performed in an ultra-high vacuum chamber, minimizing film contamination. Other advantages of MBE are its capability to create heterostructures with sharp interfaces, and to form metastable phases such as zincblende-structure GaN.
N系化合物
极性/非极性/半极性材料
c面—Ga面和N面统称为c面。c面氮化物材料是极性材料，外延材料薄膜的表面 为极性面。 a面、m面—与极轴（c轴）平行，沿材料的生长方向没有极化效应，薄膜为非极 性材料。 r面—与c轴既不平行也不垂直，薄膜为半极性材料。
N系化合物
量子限制斯塔克效应 Quantum Confinement Stark Effect
N系化合物—生长
生长技术—外延生长
ammonia MBE
B. Damilano, J. Brault, and J. Massies, ‘Formation of GaN quantum dots by molecular beam epitaxy using NH3 as nitrogen source’, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 118, 024304 (2015)
N系化合物—应用
N系化合物—功率器件
氮化物HEMT器件的宽禁带、高击穿场强、高密度二维电子气、高迁移率的特性 组合对于功率开关应用来说意味着高阻断电压和低导通电阻，继而可以在更高的电压、 电流以及温度下工作。 实际应用场合包括光伏逆变器、电网逆变器、电机逆变器等。