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基新型電子器件
GaN材料系列具有低的熱產(chǎn)生率和高的擊穿電場(chǎng)，是研制高溫大功率電子器件和高頻微波器件的重要材料。目前，隨著MBE技術(shù)在GaN材料應(yīng)用中的進(jìn)展和關(guān)鍵薄膜生長(zhǎng)技術(shù)的突破，成功地生長(zhǎng)出了GaN多種異質(zhì)結(jié)構(gòu)。用GaN材料制備出了金屬場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MESFET）、異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HFET)、調(diào)制摻雜場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MODFET）等新型器件。調(diào)制摻雜的AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)具有高的電子遷移率(2000cm2/v·s)、高的飽和速度(1×107cm/s)、較低的介電常數(shù)，是制作微波器件的優(yōu)先材料；GaN較寬的禁帶寬度(3.4eV)及藍(lán)寶石等材料作襯底，散熱性能好，有利于器件在大功率條件下工作。圖2示出了GaN電子器件的性能與GaAs和SiCMESFET的比較，從圖中可以很好地看到GaN基電子器件具有很好的應(yīng)用前景。
基光電器件
GaN材料系列是一種理想的短波長(zhǎng)發(fā)光器件材料，GaN及其合金的帶隙覆蓋了從紅色到紫外的光譜范圍。自從1991年日本研制出同質(zhì)結(jié)GaN藍(lán)色LED之后，InGaN/AlGaN雙異質(zhì)結(jié)超亮度藍(lán)色LED、InGaN單量子阱GaNLED相繼問(wèn)世。目前，Zcd和6cd單量子阱GaN藍(lán)色和綠色LED已進(jìn)入大批量生產(chǎn)階段，從而填補(bǔ)了市場(chǎng)上藍(lán)色LED多年的空白。以發(fā)光效率為標(biāo)志的LED發(fā)展歷程見(jiàn)圖3。藍(lán)色發(fā)光器件在高密度光盤(pán)的信息存取、全光顯示、激光打印機(jī)等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用市場(chǎng)。隨著對(duì)Ⅲ族氮化物材料和器件研究與開(kāi)發(fā)工作的不斷深入，GaInN超高度藍(lán)光、綠光LED技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商品化，現(xiàn)在世界各大公司和研究機(jī)構(gòu)都紛紛投入巨資加入到開(kāi)發(fā)藍(lán)光LED的競(jìng)爭(zhēng)行列。1993年，Nichia公司首先研制成發(fā)光亮度超過(guò)lcd的高亮度GaInN/AlGaN異質(zhì)結(jié)藍(lán)光LED，使用摻Zn的GaInN作為有源層，外量子效率達(dá)到2.7%,峰值波長(zhǎng)450nm,并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的商品化。1995年，該公司又推出了光輸出功率為2.0mW，亮度為6cd商品化GaN綠光LED產(chǎn)品，其峰值波長(zhǎng)為525nm，半峰寬為40nm。最近，該公司利用其藍(lán)光LED和磷光技術(shù)，又推出了白光固體發(fā)光器件產(chǎn)品，其色溫為6500K，效率達(dá)7.5流明/W。除Nichia公司以外，HP、Cree等公司相繼推出了各自的高亮度藍(lán)光LED產(chǎn)品。高亮度LED的市場(chǎng)預(yù)計(jì)將從1998年的3.86億美元躍升為2003年的10億美元。高亮度LED的應(yīng)用主要包括汽車(chē)照明，交通信號(hào)和室外路標(biāo)，平板金色顯示，高密度DVD存儲(chǔ)，藍(lán)綠光對(duì)潛通信等。在成功開(kāi)發(fā)Ⅲ族氮化物藍(lán)光LED之后，研究的重點(diǎn)開(kāi)始轉(zhuǎn)向Ⅲ族氮化物藍(lán)光LED器件的開(kāi)發(fā)。藍(lán)光LED在光控測(cè)和信息的高密度光存儲(chǔ)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前Nichia公司在GaN藍(lán)光LED領(lǐng)域居世界領(lǐng)先地位，其GaN藍(lán)光LED室溫下2mW連續(xù)工作的壽命突破10000小時(shí)。HP公司以藍(lán)寶石為襯底，研制成功光脊波導(dǎo)折射率導(dǎo)引GaInN/AlGaN多量子阱藍(lán)光LED。Cree公司和Fujitsu公司采用SiC作為襯底材料，開(kāi)發(fā)Ⅲ族氮化物藍(lán)光LED，CreeResearch公司首家報(bào)道了SiC上制作的CWRT藍(lán)光激光器，該激光器彩霞的是橫向器件結(jié)構(gòu)。富士通繼Nichia，CreeResearch和索尼等公司之后，宣布研制成了InGaN藍(lán)光激光器，該激光器可在室溫下CW應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)是在SiC襯底上生長(zhǎng)的，并且采用了垂直傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)（P型和n型接觸分別制作在晶片的頂面和背面），這是首次報(bào)道的垂直器件結(jié)構(gòu)的CW藍(lán)光激光器。在探測(cè)器方面，已研制出GaN紫外探測(cè)器，波長(zhǎng)為369nm，其響應(yīng)速度與Si探測(cè)器不相上下。但這方面的研究還處于起步階段。GaN探測(cè)器將在火焰探測(cè)、導(dǎo)彈預(yù)警等方面有重要應(yīng)用。
應(yīng)用前景
對(duì)于GaN材料，長(zhǎng)期以來(lái)由于襯底單晶沒(méi)有解決，異質(zhì)外延缺陷密度相當(dāng)高，但是器件水平已可實(shí)用化。1994年日亞化學(xué)所制成1200mcd的LED，1995年又制成Zcd藍(lán)光（450nmLED），綠光12cd(520nmLED);日本1998年制定一個(gè)采用寬禁帶氮化物材料開(kāi)發(fā)LED的7年規(guī)劃，其目標(biāo)是到2005年研制密封在熒光管內(nèi)、并能發(fā)出白色光的高能量紫外光LED，這種白色LED的功耗僅為白熾燈的1/8，是熒光燈的1/2,其壽命是傳統(tǒng)熒光燈的50倍～100倍。這證明GaN材料的研制工作已取相當(dāng)成功，并進(jìn)入了實(shí)用化階段。InGaN系合金的生成，InGaN/AlGaN雙質(zhì)結(jié)LED，InGaN單量子阱LED，InGaN多量子阱LED等相繼開(kāi)發(fā)成功。InGaNSQWLED6cd高亮度純綠茶色、2cd高亮度藍(lán)色LED已制作出來(lái)，今后，與AlGaP、AlGaAs系紅色LED組合形成亮亮度全色顯示就可實(shí)現(xiàn)。這樣三原色混成的白色光光源也打開(kāi)新的應(yīng)用領(lǐng)域,以高可靠、長(zhǎng)壽命LED為特征的時(shí)代就會(huì)到來(lái)。日光燈和電燈泡都將會(huì)被LED所替代。LED將成為主導(dǎo)產(chǎn)品，GaN晶體管也將隨材料生長(zhǎng)和器件工藝的發(fā)展而迅猛發(fā)展，成為新一代高溫度頻大功率器件。
GaN材料的缺點(diǎn)和問(wèn)題
一方面，在理論上由于其能帶結(jié)構(gòu)的關(guān)系，其中載流子的有效質(zhì)量較大，輸運(yùn)性質(zhì)較差，則低電場(chǎng)遷移率低，高頻性能差。另一方面，現(xiàn)在用異質(zhì)外延（以藍(lán)寶石和SiC作為襯底）技術(shù)生長(zhǎng)出的GaN單晶，還不太令人滿意（這有礙于GaN器件的發(fā)展），例如位錯(cuò)密度達(dá)到了108~1010/cm2（雖然藍(lán)寶石和SiC與GaN的晶體結(jié)構(gòu)相似，但仍然有比較大的晶格失配和熱失配）；未摻雜GaN的室溫背景載流子（電子）濃度高達(dá)1017cm-3（可能與N空位、替位式Si、替位式O等有關(guān)），并呈現(xiàn)出n型導(dǎo)電；雖然容易實(shí)現(xiàn)n型摻雜（摻Si可得到電子濃度1015~1020/cm3、室溫遷移率>300cm2/V.s的n型GaN），但p型摻雜水平太低（主要是摻Mg），所得空穴濃度只有1017~1018/cm3，遷移率<10cm2/V.s，摻雜效率只有0.1%~1%（可能是H的補(bǔ)償和Mg的自身電離能較高所致）。
GaN材料的優(yōu)點(diǎn)與長(zhǎng)處
�、俳麕挾却螅�3.4eV），熱導(dǎo)率高（1.3W/cm-K），則工作溫度高，擊穿電壓高，抗輻射能力強(qiáng)；②導(dǎo)帶底在Γ點(diǎn)，而且與導(dǎo)帶的其他能谷之間能量差大，則不易產(chǎn)生谷間散射，從而能得到很高的強(qiáng)場(chǎng)漂移速度（電子漂移速度不易飽和）；③GaN易與AlN、InN等構(gòu)成混晶，能制成各種異質(zhì)結(jié)構(gòu)，已經(jīng)得到了低溫下遷移率達(dá)到105cm2/Vs的2-DEG（因?yàn)?-DEG面密度較高，有效地屏蔽了光學(xué)聲子散射、電離雜質(zhì)散射和壓電散射等因素）；④晶格對(duì)稱性比較低（為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)或四方亞穩(wěn)的閃鋅礦結(jié)構(gòu)），具有很強(qiáng)的壓電性（非中心對(duì)稱所致）和鐵電性（沿六方c軸自發(fā)極化）：在異質(zhì)結(jié)界面附近產(chǎn)生很強(qiáng)的壓電極化（極化電場(chǎng)達(dá)2MV/cm）和自發(fā)極化（極化電場(chǎng)達(dá)3MV/cm），感生出極高密度的界面電荷，強(qiáng)烈調(diào)制了異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)了對(duì)2-DEG的二維空間限制，從而提高了2-DEG的面密度（在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)中可達(dá)到1013/cm2，這比AlGaAs/GaAs異質(zhì)結(jié)中的高一個(gè)數(shù)量級(jí)），這對(duì)器件工作很有意義�？傊瑥恼w來(lái)看，GaN的優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)了其缺點(diǎn)，特別是通過(guò)異質(zhì)結(jié)的作用，其有效輸運(yùn)性能并不亞于GaAs，而制作微波功率器件的效果（微波輸出功率密度上）還往往要遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有的一切半導(dǎo)體材料。
GaN器件制造中的主要問(wèn)題
因?yàn)镚aN是寬禁帶半導(dǎo)體，極性太大，則較難以通過(guò)高摻雜來(lái)獲得較好的金屬-半導(dǎo)體的歐姆接觸，這是GaN器件制造中的一個(gè)難題，故GaN器件性能的好壞往往與歐姆接觸的制作結(jié)果有關(guān)�，F(xiàn)在比較好的一種解決辦法就是采用異質(zhì)結(jié)，首先讓禁帶寬度逐漸過(guò)渡到較小一些，然后再采用高摻雜來(lái)實(shí)現(xiàn)歐姆接觸，但這種工藝較復(fù)雜�？傊瑲W姆接觸是GaN器件制造中需要很好解決的一個(gè)主要問(wèn)題。
