粉体圈首页     您好,欢迎来到粉体圈网络!
个人注册   企业注册   登录   找回密码   进入供求市场
粉体圈专注为粉碎设备,粉体设备等厂家提供粉体技术,粉体会议等信息及粉体展示和交流平台。 粉体圈专注为粉碎设备,粉体设备等厂家提供粉体技术,粉体会议等信息及粉体展示和交流平台。
当前位置:粉体圈首页>粉体技术>粉体加工技术>正文
氮化镓及GaN基蓝光LED基本制备工艺简述
2017年09月11日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:6115
0

随着科学技术的发展,人类的照明方式经历了从原始的明火照明,到如今的白炽灯、荧光灯、卤素灯,以及最新一代发光二极管(Light-Emitting DiodeLED)固态照明的发展过程。LED的发光效率和使用寿命都远远高于传统照明光源,可广泛使用在各类灯具等照明领域,可制备出红绿蓝三原色LED,用于电子设备、广告牌以及交通信号灯等全色显示领域,可提高光纤通讯的传输效率,此外LED还可以应用于生物、医疗、化工和光通信等领域。如图1所示为LED的应用领域及人类照明方式的发展史。

1 LED的应用领域及人类照明方式的发展史

 

III族氮化物材料是第三代半导体材料,它包括氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、氮化铟(InN)及其相关三元(AlGaNInGaNAlInN)和四元(AlGaInN)化合物,具有直接带隙,是制备高量子效率LED的重要半导体化合物。

 

2典型III族氮化物的晶格常数、禁带宽度及发光波长的关系图

 

2III族氮化物GaNAlNInN的晶格常数、禁带宽度和发光波长的示意图,它们之间的组合能形成相应的三元化合物和四元化合物,其禁带宽度所对应的发光波长可覆盖全部可见光和部分红外、紫外光。而氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料的典型代表,已经成为了最具有应用前景的材料之一,引起了人们极大的关注和广泛的兴趣。

1. 氮化镓的晶体结构

到目前为止我们已知的GaN有三种晶体结构,它们分别为纤锌矿、闪锌矿和岩盐矿。通常的情况下纤锌矿是最稳定的结构。但是闪锌矿结构的GaN通常在高温的条件下会转变成更加稳定的纤锌矿结构的GaN。而岩盐相是GaN的高压相结构(压力一般大于37GPa)通常情况下是不容易存在的。在纤锌矿结构中,原子在(0001)面沿着<0001>方向的堆叠顺序是ABAB...;在闪锌矿结构中,原子在(111)面沿着<111>方向的堆叠顺序是ABCABC...;如图3所示

 

3 (a)纤锌矿原子排列(b)闪锌矿原子排列示意图

 

纤锌矿、闪锌矿的结构不同在于第二次邻的键角不同,这是导致纤锌矿材料存在自发极化的主要原因。纤锌矿GaN材料为六方晶体结构,其C轴晶格常数大于其他键,与第二次邻的键角与理想结构不同,因此在GaN内部存在着很强的自发极化现象。图4为纤锌矿结构GaN的晶胞结构示意图以及三种材料在无应力和张力系统中的晶格常数。在外力作用下,GaN由于晶格和热膨胀系数失配等原因会发生形变,这时便会产生压电极化。自发极化和压电极化效应会对GaN材料及其器件产生重要的影响。

 

4 GaN纤锌矿结构晶胞结构和晶格常数

 

2. 氮化镓的性质

2.1 物理性质

GaN通常情况下为白色或者微黄色的固体粉末,是一种极其稳定的化合物,又是坚硬的高熔点材料,熔点大约为1700℃,GaN具有很强的电离度,在Ⅲ-Ⅴ族化合物中是最高的。通常情况下GaN结构是六方纤锌矿结构,它的一个元胞中有四个原子,原子体积约为砷化镓原子体积的一半,因为GaN材料的硬度高,其又是一种很好的图层保护材料。

 

2.2 化学性质

GaN化学性质非常稳定,具有强硬度、抗常规湿法腐蚀的特点。在室温下,它不溶于水和酸,不溶于NaOH溶液(因为形成的GaOH层很快沉积在表面上,必须采用电解腐蚀方法才行),但对于热的碱性溶液却能缓慢地溶解。如果GaN的质量较差,NaOHH2SO4H3PO4能够较快腐蚀,可用于对质量不高的晶体缺陷的检测。由于GaN很稳定,目前尚没有一种合适的化学腐蚀方法刻蚀GaN,现在使用最多的是离子体工艺进行刻蚀。如果在高温的HClH2气氛中,GaN呈现出不稳定性,而在N2气氛下最为稳定。

 

2.3 光学性质

GaN是直接隙半导体材料,具有易发光,电光转化效率高的特点。直接隙半导体材料与间接带隙半导体材料的区别在于空穴和自由电子的动量方向的差异,在直接隙半导体材料中,空穴和自由电子动量方向相同,动量守恒条件容易满足,电子与空穴相对容易复合产生光子。而在间接隙半导体材料中,空穴和自由电子具有不同动量方向,动量守恒条件不易满足,电子与空穴相对不容易复合产生光子,需要声子作用。

 

2.4 电学性质

非有意掺杂GaN均为n型,载流子浓度在1016~1018cm-3,具有很高电导,这是存在N空位引起的。对于GaNn型掺杂,相对来说比较简单,但制造pGaN就比较困难。虽然Mg是比较好的p型掺杂剂,但大都得到低阻pGaN,由Mg于本身的电离能比较大,即使掺杂浓度很高,激活后,也只有很少Mg的成为受主杂质且空穴浓度(载流子浓度)更低。

 

3. GaN基多量子阱蓝光LED的基本制备工艺

3.1 衬底材料

衬底对材料的生长及晶体质量具有重要的影响,选择合适的衬底材料对于GaN及其化合物外延层的生长尤为关键。如表1所示,可作为GaN的异质衬底的材料有很多,其晶格参数及物理特性也各有不同。

 

1 常用衬底材料的基本性质

 

表中的蓝宝石和SiC衬底与GaN的晶格常数以及热膨胀系数较为匹配,且热稳定性好,是目前用于制备GaN薄膜最主要的两种衬底材料。由于SiC材料价格昂贵,且其晶体质量也没有蓝宝石衬底的好,所以目前最广泛运用的GaN异质外延的是蓝宝石衬底。但是,蓝宝石衬底与GaN薄膜之间仍然存在着一定的晶格失配和热膨胀系数失配,沉积的材料内部会存在着较高的位错密度(~108-1010cm-2)。在GaNLED中,这些高密度的位错会给漏电流提供传输通道,降低器件的可靠性;并且为非辐射复合提供复合中心,降低LED的发光效率,对LED的电学和光学性能造成严重的影响。

 

3.2 外延生长

制备GaN材料较为常用的外延生长方法有如下几种:

(1)氢化物气相外延(Hydride Vapor Phase EpitaxyHVPE)HCl与金属Ga反应,生成的GaCl再与NH3生成GaN

 

HVPE法的优点是生长速率很快,但缺点是生长的薄膜厚度很难精确控制,且HCl会腐蚀设备,难以保证GaN材料的纯度。

 

(2)气态源分子束外延(Gas Source Mgolecular Beam EpitaxyGSMBE):将金属Ga加热蒸发成分子束与NH3在衬底表面反应,生成GaN

 

GSMBE法的优点是在比较低的温度(<7000)下便可生成GaN,且GaN晶体的质量较好,也不需要后续的热处理。但是缺点是生长速率较慢、产量较低且设备价格昂贵。

 

(3)金属有机物化学气相外延(Metal Organic Chemical Vapor DepositionMOCVD):通过载气(N2或者H2)将金属有机物和NH3送入反应室,在高温下于衬底上反应生成GaN。此过程的反应式为:

 

Ga(CH)3+NH3→GaN+3CH4

 

MOCVD反应系统的示意图如图5所示。

 

5 MOCVD反应系统示意图

 

与其他生长方法相比,MOCVD法的优点有:设备简单;反应气体可精确调控;薄膜的厚度可精确调控;低气压外延生长可减小非故意掺杂;薄膜更大更均匀、适宜批量生产等。当然,MOCVD法也有一些缺点需要解决,例如,反应所需的气体及其副产物大多是易燃易爆的危险品,反应排出的尾气需经过特殊处理方可排出。

 

3.3 掺杂

制备GaN器件都会涉及到掺杂问题。在室温下,未掺杂GaN的载流子浓度可达1017cm-3,材料呈n型。GaN材料的n型掺杂很容易实现,比如掺Si后电子浓度可最高可达1020cm-3。此外,还可以在GaN材料中掺入GeSe以及S等元素来实现n型掺杂。然而,GaN材料的p型掺杂却遇到了很多的问题。起先,采用MOCVD法生长GaN材料时,即使Mg的掺杂高达1019~1020cm-3,但GaN仍是半绝缘体,电阻率很高,人们把这种现象称为Mg的钝化。直到1992Nakamura通过退火处理将Mg激活才获得了p型掺杂的低阻GaN材料。目前,掺MgpGaN材料的空穴浓度可达1017~1018cm-3

 

6 (a)热平衡下和(b)正向偏压下p-n结能带图

 

nGaN中电子的有效质量相对较低,迁移率高,因此可以很容易地溢出有源区进入p型区,与空穴进行非辐射复合。pGaN中空穴的有效质量大,p掺杂效率低,并且能带弯曲会引起的极化现象,空穴注入有源区变得更加困难。因此,pGaN的掺杂会对GaNLED的空穴注入效率和发光效率有影响。

 

参考文献

[1] 刘颖. 氮化铝和氮化镓纳米材料的制备与表征[D]. 山东大学, 2009.

[2] 李亚君. 氮化镓、氮化硅镁纳米材料的制备与表征[D]. 山东大学, 2010.

[3] 蔡斌. 氮化镓纳米材料的可控合成及性能表征[D]. 燕山大学, 2014.

[4] 管婕. GaN基蓝光LED结构和光电性能的研究[D]. 江南大学, 2016.

[5] 杨桐, 蒋持墨. 氮化镓最新研究进展及在LED领域的突破[J]. 电子制作, 2013(12):38-38.

 

L-things 整理


相关内容:
0
 

点击加入粉体技术交流群粉体技术群
返回页顶