非极性氮化镓基半导体研究

      氮化镓基化合物被认作用于高功率、高性能的光学器件或电子器件的重要材料。具体地讲，因为诸如GaN的第III族氮化物具有优异的热稳定性和直接跃迁能带结构，所以第III族氮化物作为用于可见光区域和紫外线区域的发光装置的材料近来引起许多注意。例如，在多种应用中已经利用使用InGaN的蓝色发光装置和绿色发光装置，例如，大型本色平板显示装置、交通灯、室内照明、高密度光源、高分辨率输出系统和光学通信工具。

　　然而，因为难以制造能够在其上生长第III族氮化物半导体层的同质基底，所以已经通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）在具有类似晶体结构的异质基底上生长第III族氮化物半导体层。对于异质基底，已经主要使用具有六角形结构的蓝宝石基底。具体地讲，因为GaN外延层趋向在c面方向生长，所以已经主要使用具有c面生长表面的蓝宝石基底。

　　生长在c面生长表面上的c面氮化镓基半导体层由于自发极化和压电极化而产生内电场，这降低了辐射复合率。为了防止这样的极化现象，正在进行对非极性或半极性氮化镓基半导体层的研究。

　　非极性氮化镓新趋势

　　非极性GaN材料尤其是m面GaN材料的制备研究已成为全球的研究热点。发展大尺寸、低成本和高性能的非极性GaN材料成为未来氮化物发光器件的重要趋势之一。

　　m面GaN作为其中最重要的一种非极性面GaN材料，被认为可以消除压电极化导致的氮化物发光器件辐射复合效率降低和发光波长蓝移等问题，在未来的半导体白光照明工程中具有重要应用前景。

　　氮化镓新技术突破

　　大阪大学成功研发了低成本N极性GaN技术，可将性能提升80%。最近，N极性氮化镓又有新的技术突破——日本住友电工开发了基于GaN单晶N极性HEMT器件

　　然而，常规制备方法如高压法、HVPE生长厚膜的m面切割以及LiAlO2上的外延等都存在衬底难于做到使用尺寸、价格过于昂贵、材料本身不稳定等因素的影响，不利于非极性LED、LD等的进一步发展。

　　GaN晶体广泛使用的是Ga极性，为了实现更高的输出和更高的频率，业界正在开发反向的HEMT结构，来增加器件设计的自由度，并可以抑制漏电流。

　　

　　Ga极性和N极性的HEMT结构比较

　　但是，N极性单晶衬底的晶面存在缺陷，因此，在器件设计方面，开发HEMT结构需要解决高质量栅极绝缘膜的挑战挡层。

　　关于氮化镓（GaN）衬底的选择

　　对于GaN这样的Ⅲ族氮化物来说，其熔点将近 1700℃，因此很难从熔融的液相中生长出来，尽管科学家已经在生长高质量块状GaN单晶和氢化物气相外延GaN做了大量的研究，但由于成本高昂的关系，GaN依旧没有可用的的体块单晶，使用GaN同质外延目前是商业化不可行的。

　　目前 GaN 晶体的生长必须要在GaN以外的衬底上进行，主要包括蓝宝石、碳化硅（SiC）和硅（Si）等。

　　1、蓝宝石是目前使用最为普遍的一种衬底材料。特点是容易获得、价格适当、易于清洁和处理、在高温下具有很好的稳定性、可以大尺寸稳定生长。

　　2、目前用于氮化镓生长衬底就是SiC，它在市场上的占有率位居第二。它有许多突出的优点，如化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光、其晶格常数和材料的热膨胀系数与GaN材料更为接近等，但不足方面也很突出，如价格太高、晶体质量难以达到蓝宝石那么好、机械加工性能比较差。

　　3、Si衬底具有价格低廉、容易解理、导电性好、导热性好等优点，而且能实现光电子器件和微电子器件的集成，因此在硅衬底上制备发光二极管是本领域里梦寐以求的一件事情。

　　文章整合自日本应用物理学杂志、国知局、第三代半导体风向、粉体圈