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GaN基材�
閱讀�11826�(shí)間:2010-12-23 11:44:15

  GaN即氮化鎵,屬第三代半�(dǎo)體材料,六角纖鋅礦結(jié)�(gòu)。GaN 具有禁帶寬度�、熱�(dǎo)率高、耐高�、抗輻射、耐酸堿、高�(qiáng)度和高硬度等特�,是現(xiàn)在世界上人們最感興趣的半導(dǎo)體材料之一。GaN 基材料在高亮度藍(lán)、綠、紫和白光二極管,�(lán)、紫色激光器以及抗輻�、高溫大功率微波器件等領(lǐng)域有著廣泛的�(yīng)用潛力和良好的市�(chǎng)前景�

�(fā)展歷�

  早在 1928 �, Johnson 就用粉末法合成了 GaN。但由于 GaN 高熔�(diǎn)、高離解壓的特性使 GaN 的體單晶生長(zhǎng)極為困難,�(zhǎng)期阻礙了 GaN 研究工作的發(fā)�。甚至一� GaN 被認(rèn)為是�(méi)有前途的材料。但是在20 世紀(jì)90 年代�, GaN 基材料的研究取得重大�(jìn)��1991 年日本日亞公司的Nakamura 等人首先以藍(lán)寶石(Al2O3) 襯底研制成摻 Mg � GaN 同質(zhì)�(jié)�(lán)色發(fā)光二極管。此�, 在各�(guó)掀起了研究 GaN 基材料的熱潮。隨著研究的不斷�(jìn)�,�(xiàn)在已�(jīng)能夠制造高亮度的藍(lán)�、綠�、紫光和白光二極�。藍(lán)色和紫色激光器也已能夠制�。目�,�(lán)、綠光發(fā)光二極管已實(shí)�(xiàn)商品�,�(kāi)�(fā) GaN 器件的焦�(diǎn)主要集中在實(shí)�(xiàn)白光二極管和�(lán)色激光器的商品化上。世界各大公司和研究�(jī)�(gòu)都投入巨資加入到 GaN �(lán)色激光器和高亮度白光二極管的�(kāi)�(fā)��

GaN及其三元化合物的基本特�

  GaN 基材料主要包� GaN 及其� InN、AlN 的合�,其禁帶寬度覆蓋整�(gè)可見(jiàn)光及紫外光譜范圍� GaN 及其三元化合物通常是以六方�(duì)稱性的纖鋅礦結(jié)�(gòu)存在,但在一定條件下也能以立方對(duì)稱性的閃鋅礦結(jié)�(gòu)存在�2 種結(jié)�(gòu)的主要差別在于原子層的堆積次序不�,因而電�(xué)性質(zhì)也有顯著差別。由于閃鋅礦�(jié)�(gòu)� GaN 不穩(wěn)�,用于器件的一般都是纖鋅礦�(jié)�(gòu)。表1 給出�2 種結(jié)�(gòu)� GaN � InN� AlN 的帶隙寬度和晶格常數(shù)�

GaN及其三元化合物的基本特性

  �(duì)� InGaN、Al GaN 等三元化合物的各�(xiàng)參數(shù)可以用插值法估算:

  GaN � GaN 基半�(dǎo)體材料中的基本材�,也是目前研究最多的 Ⅲ族氮化物材料。GaN 材料非常�(jiān)�,其化�(xué)性質(zhì)非常�(wěn)�,在室溫下不溶于水、酸和堿,其熔�(diǎn)較高,約為 1700 �。GaN 的電�(xué)性質(zhì)是決定器件性能的主要因�。電子室溫遷移率目前可達(dá)900 cm 2 /  。較好的 GaN 材料的本底n 型載流子濃度可以降到10 16 / cm 3 左右。由于n 型本底載流子濃度較高,制備p � 樣品的技�(shù)難題曾經(jīng)一度限制了 GaN 器件的發(fā)展。Akasaki 等人� Nakamura 等人分別通過(guò)低能電子束輻�( IEEBI) 和熱退火處理技�(shù),�(shí)�(xiàn)� Mg � GaN 樣品表面p - 型化。目前已�(jīng)可以制備載流子濃度在 10 11 � 10 20 / cm 3 � P - � GaN 材料�

生長(zhǎng)技�(shù)

  每種新器件的誕生,都依賴于薄膜生長(zhǎng)技�(shù)的發(fā)�。隨著分子束外延(MBE) 生長(zhǎng)技�(shù)的日漸成熟和完善,為新一代半�(dǎo)體器件所需的微�(jié)�(gòu)材料的生�(zhǎng),� 供了必要條件,�(duì)推動(dòng)新一代半�(dǎo)體技�(shù)的發(fā)展起了重要作�。目前尚�(wú)�(shí)用化 的GaN襯底,在其它襯底上多采用異�(zhì)外延生長(zhǎng)的方�,以MBE、MOCVD異質(zhì)外延� �(zhǎng)技�(shù)為主。選擇的異質(zhì)節(jié)襯底主要材料為藍(lán)寶石、SiC、Si、GaAs、GaP�, � �(lán)寶石較為常用。外延生�(zhǎng)技�(shù)MBE� MOCVD為GaN晶體生長(zhǎng)帶來(lái)了飛躍的�(jìn)�� 利用MBE 技�(shù)成功地解決了�-Ⅴ族氮化物的薄膜生長(zhǎng)及摻雜工�,解決了MBE� �(zhǎng)GaN薄層的關(guān)鍵問(wèn)題氮?dú)�?。提供氮?dú)庠吹姆椒ㄓ谟泻芏?如用電子回旋共振 (ECR)、射�(RF)等離子增�(qiáng)(PE)等方法激�(lì)N原子的產(chǎn)�,其中最成功的是RF� 離子體源和電子回旋共�(ECR)微波等離子體�。與生長(zhǎng)溫度�1000℃以上的 MOCVD相比, MBE系統(tǒng)用于氮化物生�(zhǎng)的一�(gè)重要�(yōu)�(diǎn)是結(jié)晶性好、生�(zhǎng)溫度�� �(chǎn)生的熱應(yīng)力小, 這對(duì)熱膨脹失配較大的AlGaN合金�(lái)�(shuō)十分重要� 另外MBE生長(zhǎng) 薄膜�(guò)程是在超真空�(huán)境中, 可實(shí)�(xiàn)束流的原位監(jiān)�(cè)以及使用高能電子衍射儀 (RHEED)觀察薄膜生�(zhǎng)�(zhì)�, 并可�(shí)�(xiàn)單原子層生長(zhǎng)。反�(yīng)分子束外延技�(shù), � 接以Ga 或Al 的分子束作為Ⅲ族�, 以NH3為N �, 在襯底表面反�(yīng)生成Ⅲ族� 化物� 利用該技�(shù), �800℃下先生�(zhǎng)幾十納米厚的AlN 緩沖�, 然后再生�(zhǎng)GaN 薄膜材料,獲得了器件級(jí)n 型GaN 薄膜材料,圓滿地解決了氮空位數(shù)與n型載流子 濃度相當(dāng)?shù)�?wèn)�� 以NH3作氮源� C面藍(lán)寶石為襯底的RMBE法生�(zhǎng)的摻鎂p型GaN � -3 2 �,其空穴濃度可高達(dá)2×1018cm , 空穴遷移率為25cm /V ·s。同樣用RMBE � 也可制備出摻�?shù)� 型GaN 薄膜, 但其空穴濃度�(méi)有摻鎂的材料�� 年代GaN 90 薄膜材料生長(zhǎng)技�(shù)取得�(zhì)的飛�, 成功地解決了器件�(zhì)量薄膜材料的生長(zhǎng),�(shí)�(xiàn) 了p 型摻�, 獲得了符合器件要求的p 型GaN 薄膜, 解決了GaN 基固溶體 InGaN、AlGaN 的生�(zhǎng)工藝, 為藍(lán)、綠色LED 和藍(lán)光LD以及各種FET 和光探測(cè)� 的制備奠定了材料基礎(chǔ), 從而為新器件的�(kāi)�(fā)和研究打�(kāi)了光明之門(mén)�

�(yīng)�

  GaN基材料具有禁帶寬度大、熱�(dǎo)率高、電子飽和漂移速度大和介電常數(shù)小等� �(diǎn),GaN 基材料可以用于制造藍(lán)、綠、紫和白光二極管,�(lán)色和紫色激光器,以及高頻、大功率電子器件和紫外光探測(cè)器等�。目前二極管的制造技�(shù)已經(jīng)比較成熟并且已經(jīng)初步商品化。激光器的�(jìn)展也非常迅�,正在走向商品�。其他器件如 GaN 基的 FET、HEMT、HBT 和UV 光傳感器也已�(kāi)�(fā)出來(lái)�

典型�(yīng)用及�(xiàn)狀

  1  �(fā)光二極管

  1991 �, 日本 Nichia 公司成功制造了同質(zhì)�(jié) GaN �(lán)色發(fā)光二極管,光輸出功率達(dá)70μW,此后世界各大公司和研究機(jī)�(gòu)�(duì) GaN 的研究不斷取得突破�(jìn)�,隨著雙異�(zhì)�(jié)和量子阱�(jié)�(gòu)的廣泛采�, GaN 基發(fā)光二極管的發(fā)光亮度和光輸出功率都已達(dá)到很高水平。Nichia 公司的高亮藍(lán)光二極管已經(jīng)�(dá)�3cd 的亮�,綠光�(dá)�10cd ,光輸出功率分別達(dá) 6. 0mw �4. 0mw。紫光二極管 Cree 公司已經(jīng)�(bào)道了12. 0mw 的光輸出功率。白光二極管的制造技�(shù)也逐漸成熟,亮度�(dá) 5. 0 � 6. 0cd。隨著發(fā)光亮度的迅速提高和�(chǎn)品的商品�, GaN 基發(fā)光二極管正一步步走入人們的生活,并將給人們的生活帶來(lái)巨大的變�。例�, � InGaN �(lán)光和綠光二極管和 Al GaInp 紅光二極管做成全色動(dòng)�(tài)信息顯示平板, 可廣泛用于車�、廣�(chǎng)、體育館等場(chǎng)所,使信息的顯示更逼真,將給人們帶�(lái)更大的方便和全新的感受。還可以�(yīng)用于電視�(jī)和計(jì)算機(jī)的顯示器,這樣的電視機(jī)和計(jì)算機(jī)顯示器將以其平面�、響�(yīng)�、清晰度�、無(wú)輻射、低功耗等�(yōu)�(shì)同現(xiàn)有的陰極射線管顯示器展開(kāi)�(jìng)�(zhēng)??梢灶A(yù)言,一旦成本和�(jià)格能夠降到可承受范圍,這種�(jìng)�(zhēng)將是一邊倒的�

  2  �(lán)、紫色激光器

  InGaN 量子阱藍(lán)、紫色激光器的實(shí)�(xiàn), 為高密度存儲(chǔ)、水下通信�(kāi)辟了道路。激光器的波�(zhǎng)決定了光�(pán)的存�(chǔ)容量、存�(chǔ)密度與波�(zhǎng)的平方成反比?,F(xiàn)有的CD 和DVD 使用的激光波�(zhǎng)分別� 780nm �635nm ,如果改用波長(zhǎng)�450 的藍(lán)�,CD 和DVD 的存�(chǔ)密度將分別從�(xiàn)在的0. 65 G�4. 7 G提高� 14 G左右。同�(shí)信息的尋道時(shí)間將� 100 � 50 毫秒縮短�20 �40 毫秒。由于水�(duì)光的吸收,以前在海水中要實(shí)�(xiàn)光通信比較困難。但由于海水�(duì)波長(zhǎng)�470 �540 之間的藍(lán)、綠光吸收特別少(只有其他波長(zhǎng)光的1 %) ,所�,如果將藍(lán)、綠光用于水下通信,這�(gè)難題將得以解�。由于藍(lán)、綠、紫色激光器的應(yīng)用前景和市場(chǎng)潛力非常巨大,�(xiàn)在正吸引著世界上眾多的大公司和研究組在這�(gè)�(lǐng)域攻�(guān)�

  GaN 材料除了在發(fā)光器件領(lǐng)�,在其他領(lǐng)域如高溫大功率電子器�、高頻器件、光探測(cè)器等方面也有著巨大的�(yīng)用前�, Khan 等人已經(jīng)� GaN 材料制作出了 GaN/ Al GaN 異質(zhì)�(jié)�(chǎng)效應(yīng)晶體�( FET) , GaN/ Al GaN 異質(zhì)�(jié) HEMT , HFET � MOFET 也已研制成功。APA 公司� GaN � UV 光探�(cè)器已�(jīng)�(shí)�(xiàn)商品�,并借助于他�?cè)?GaN � FET 器件�(lǐng)域的技�(shù),正在�(kāi)�(fā)探測(cè)�/ FET 混合器件�

  �(guó)�(nèi)�(duì) GaN 材料的研究開(kāi)展得較晚,跟國(guó)際上的水平相比有著較大的差距,但近年來(lái)也取得了顯著的�(jìn)�,目前�(lán)光二極管已有�(shí)�(yàn)室樣�,并且正在走向�(chǎn)�(yè)化。綠�、紫光二極管也已制出樣管。本�(shí)�(yàn)室的制造的波長(zhǎng) 382nm 的紫外二極管室溫下光輸出功率�0. 56mW。白光二極管的研究也已取得了初步�(jìn)�,隨著�(lán)光特別是紫外二極管和熒光粉制造技�(shù)的不斷�(jìn)�,白光二極管的制造技�(shù)也將一步一步走向成��

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