GaN材料介紹
1.1ＧａＮ的晶體結構
一般地說，ＧａＮ具有三類晶體結構，分別為：纖鋅礦，閑鋅礦和巖鹽礦。閃鋅礦和巖鹽礦是比較少見的。它們的晶體結構示意圖有下圖1.1所示。人們所制各的ＧａＮ的結構，一般來說都是纖鋅礦結構，因此著重介紹一下Ｇａｂ］的纖鋅礦結構。ＧａＮ晶體是可以看作山兩套六角密堆積的晶格相互嵌套的纖鋅礦結構。這就是說．這種結構相當于兩套格子沿著Ｃ軸（０００１）方向錯了３／８的晶格常數(shù)位簧，而兩套格子中任何一個格子都由一類原子（Ｎ原子或者Ｇａ原子）構成，如1.1圖所示。在纖鋅礦結構的ＧａＮ中沿Ｃ軸（０００１）方向的原子排序：Ｇａ＾Ｎ＾ＯａｅＮＢＣ３ａ＾Ｎ＾ＧａＢＮＢ等等依次延續(xù)。Ｈ．Ｐ．Ｍａｒｕｓａｋａ和Ｊ．Ｊ．Ｔｉｅｔｊｅｎ［２６】等人給出了被廣泛的接受ＧａＮ的晶格常數(shù)，分別為ａ＝０．３ｌ８９ｎｍ，ｃ－－０．５１８５ｎｍ。
１．２ＧａＮ的化學性質
ＧａＮ的化學性質十分穩(wěn)定，在室溫下，幾乎不與酸和堿的溶液反應１２７１。到現(xiàn)階段為
止，只有熔融的ＫＯＨ能比較有效的與ＧａＮ反應【２引．而這個方法被人們用來檢測（３ａＮ外延膜的缺陷【２９】。另外，還有電化學濕法刻蝕，本文會在后面講到。由于ＧａＮ的化學性質穩(wěn)定，難以通過常用的化學反應手段進行腐蝕。因此，在ＧａＮ器件的制作過程中常用干法刻蝕。主要是感應耦臺等離子刻蝕和反應離子刻蝕的兩類刻蝕方法。這兩類的干法刻蝕所用的刻蝕氣體一般是氯元素的化合物或與氯元素與其他氣體的混合，如時與Ｃ１２的混合氣體，時與ＢＣｌ３的混合氣等等［３０，３１】。
１．３ＧａＮ的電學性質
ＧａＮ是直接寬帶隙化合物半導體材料，它的電學性能的好壞決定了這種半導體材料在物理器件方面的表現(xiàn)和應用。它的電學性能的兩個主要參數(shù)分別是載流子的遷移率和載流子的濃度。一般非故意摻雜的ＧａＮ晶體呈顯ｎ型，它的載流子濃度大于１０１８ｃｍ。。相關的研究表明ＧａＮ材料的本底電子不是來源于雜質，而是來自ＧａＮ的本征缺陷。
ＧａＮ材料存在大量的缺陷，是由以下原因造成的。可能因素之一是ＧａＮ生長要求高溫環(huán)境，而高溫氮的蒸汽壓大，易于形成ＶＮ缺陷。可能因素之二是由于缺乏ＧａＮ同質襯底，異質外延所帶來的晶格失配導致的缺陷會使ＧａＮ呈１３型?，F(xiàn)在大家普遍認為是本底電子由ＧａＮ晶體中的Ｎ空位（ＶＮ）引起的【３２】。這么的高本底載流子濃度問題，一度制約了ＧａＮ基器件的研究的前進。
隨著生長ＧａＮ材料的設備發(fā)展和工藝優(yōu)化，取得了較大的突破。目前，最低的非故意摻雜的ＧａＮ晶體的載流子濃度已經達至ｌＪｌ０Ｍｃｍ。的數(shù)量級ｆ３３１是最近報道的。其在室溫下的電子遷移率能夠達至１］９００ｃｒｎ２／Ｖ．Ｓｔ３４１。在現(xiàn)階段，通過摻Ｓｉ生長成ｎ．ＧａＮ是很容易實現(xiàn)的。ｎ—ＧａＮ中Ｓｉ形成的是淺施主能級，發(fā)生在導帶底２２ｍｅＶ處【３５】，使它們易于電離。故ｎ—ＧａＮ的載流子濃度會達到１０Ｈｃｒｎ‘３數(shù)量級。但是獲得高質量的ｐ－ＧａＮ卻有難度。從現(xiàn)階段而言，只有通過摻Ｍｇ才能穩(wěn)定得到ｐ－ＧａＮ［３６】。即便如此，如果通過ＭＯＣＶＤ系統(tǒng)生長出來的摻Ｍｇ的ｐ．ＧａＮ不做什么特殊處理，得到晶體呈現(xiàn)的是高阻態(tài)的ＧａＮ。這是因為一般情況下所制備的Ｐ型樣品，都是高補償?shù)?。必需進一步處理才能夠得到Ｐ型ＧａＮ。
近幾年來，如何穩(wěn)定可靠的實現(xiàn)有效的Ｐ型摻雜是急需要的技術難題。Ａｋａｓａｋｉ等人在１９９９年率先利用低能電子束輻照的方法制備出了表面的Ｐ型摻Ｍｇ的ＧａＮ樣品。Ｎａｋａｍｕｒａｄ的研究小組隨后利用熱退火處理的方法制備出了摻Ｍｇ的ＧａＮ樣品的Ｐ型化。而且這種方法更好更方便。
目前，已經可以制備出的Ｐ型ＧａＮ晶體的載流子濃度為１０１６ｃｍ－３～１０”ｃｍ一。因為ＧａＮ是寬禁帶半導體，所以這種材料的本征載流子濃度的對溫度的變化不敏感。即在外界的很大溫度的范圍變化時ＧａＮ基器件或材料保持穩(wěn)定。這種性質使得ＧａＮ基器件中只有較小的漏電流或暗電流的獨特優(yōu)勢。
１．４
ＧａＮ的光學性質
早在２０世紀中期，人們就開始研究ＧａＮ材料了。這是因為在室溫下，ＧａＮ的禁帶寬度為３．３９ｅＶ，是寬禁帶直接帶隙半導體。它是一種具有優(yōu)良性質的短波長光電子材料。在１９６９年，Ｍａｒｕｓｋａ和Ｔｉｅｔｊ∞利用光致發(fā)光（ＰＬ）的方法測得ＧａＮ的直接帶隙禁帶寬度是３．３９ｅＶ【３７１，這是第一次關于ＧａＮ的禁帶寬度的準確報道。在其后的１９７０年，Ｐａｎｋｏｖｅ等人也利用ＰＬ測試了在１．６Ｋ低溫條件下的ＧａＮ晶體在３．４７７ｅＶ處有很強的近帶邊發(fā)射【３引。但受制于當時的實驗設備和生長工藝，這時所制備的ＧａＮ的晶體質量相對較差。這就使用那時所測得的ＧａＮ禁帶寬度要比實際的ＧａＮ禁帶寬度要小一些。
隨后的１９７１年，第一次精確給出了３．５ｅＶ的值的是Ｂｌｏｏｍ等人，他們采用的贗勢法進一步糾正了ＧａＮ材料的禁帶寬度值。這個研究的基礎之上，他們又通過經驗的贗勢法擬合實驗數(shù)據，得到更加精確的能帶結構，更新了他們的數(shù)值［３９舯】。１９９６年，經歷了多位科研人員的成果，Ｃｈｅｎ等人的進一步研究，精確地給出這樣的數(shù)值：在Ｔ－０Ｋ時，ＧａＮ的禁帶寬度為３．５０４ｅＶ［４１１。在Ｔ＝０Ｋ時的低溫光譜中，他們觀測到與ＧａＮ價帶相關的能級劈裂的Ａ、Ｂ、Ｃ－－類激子的復合躍遷。他們再結合光致發(fā)光譜和相關的理論分析，得到了能帶結構。如下圖１．２所示。
在室溫下，ＧａＮ的ＰＬ譜的發(fā)光峰一般只有兩個峰，分別是帶邊峰和黃光峰，其中的
黃光峰的能級在２．２ｅＶ左右。偶爾也會出現(xiàn)藍帶峰，在２．９ｅＶ左右。為什么會出現(xiàn)黃光峰，學界目前還沒有公認的解釋。有的研究者認為：因為晶體結晶質量較差，由此會導致室溫下的ＰＬ光譜的帶邊峰的強度會減弱，黃帶等非本征發(fā)光峰會因此而增強。大部分研究者認為這是淺施主到深受主的躍遷發(fā)射。有學者認為淺施主至）ＪＧａ空位的躍遷是引起黃光峰的原因。通過實驗，Ｋ．Ｓａｏｒｉｎｅｎ等學者［４２］的實驗表明：會因Ｇａ空位濃度越大，黃光峰的發(fā)光強度也越強。
目前而言，有關偶爾出現(xiàn)的２．９ｅＶ左右的藍帶峰，和它的發(fā)光機理的研究較少。有的學者的研究表明【４３】：自由電子躍遷至ＧａＮ晶體中的由缺陷引起的受主能級，由此會致藍帶峰的產生。另外，在ＧａＮ的低溫ＰＬ譜的測試過程中，會經常出現(xiàn)束縛激子峰、聲子伴線、自由激子峰等帶邊結構。在這些以外，還會有位于低能帶的施主受主對峰和它的聲子伴線；以及一些與ＧａＮ晶體中的雜質或缺陷有關的非本征躍遷峰，常見的如位于３．４３ｅｖ和２．２ｅｖ的發(fā)光峰。（免責聲明：文章來源于網絡，如有侵權請聯(lián)系作者刪除。）