GaN材料介绍
1.1ＧａＮ的晶体结构
一般地说，ＧａＮ具有三类晶体结构，分别为：纤锌矿，闲锌矿和岩盐矿。闪锌矿和岩盐矿是比较少见的。它们的晶体结构示意图有下图1.1所示。人们所制各的ＧａＮ的结构，一般来说都是纤锌矿结构，因此着重介绍一下Ｇａｂ］的纤锌矿结构。ＧａＮ晶体是可以看作山两套六角密堆积的晶格相互嵌套的纤锌矿结构。这就是说．这种结构相当于两套格子沿着Ｃ轴（０００１）方向错了３／８的晶格常数位簧，而两套格子中任何一个格子都由一类原子（Ｎ原子或者Ｇａ原子）构成，如1.1图所示。在纤锌矿结构的ＧａＮ中沿Ｃ轴（０００１）方向的原子排序：Ｇａ＾Ｎ＾ＯａｅＮＢＣ３ａ＾Ｎ＾ＧａＢＮＢ等等依次延续。Ｈ．Ｐ．Ｍａｒｕｓａｋａ和Ｊ．Ｊ．Ｔｉｅｔｊｅｎ［２６】等人给出了被广泛的接受ＧａＮ的晶格常数，分别为ａ＝０．３ｌ８９ｎｍ，ｃ－－０．５１８５ｎｍ。
１．２ＧａＮ的化学性质
ＧａＮ的化学性质十分稳定，在室温下，几乎不与酸和碱的溶液反应１２７１。到现阶段为
止，只有熔融的ＫＯＨ能比较有效的与ＧａＮ反应【２引．而这个方法被人们用来检测（３ａＮ外延膜的缺陷【２９】。另外，还有电化学湿法刻蚀，本文会在后面讲到。由于ＧａＮ的化学性质稳定，难以通过常用的化学反应手段进行腐蚀。因此，在ＧａＮ器件的制作过程中常用干法刻蚀。主要是感应耦台等离子刻蚀和反应离子刻蚀的两类刻蚀方法。这两类的干法刻蚀所用的刻蚀气体一般是氯元素的化合物或与氯元素与其他气体的混合，如时与Ｃ１２的混合气体，时与ＢＣｌ３的混合气等等［３０，３１】。
１．３ＧａＮ的电学性质
ＧａＮ是直接宽带隙化合物半导体材料，它的电学性能的好坏决定了这种半导体材料在物理器件方面的表现和应用。它的电学性能的两个主要参数分别是载流子的迁移率和载流子的浓度。一般非故意掺杂的ＧａＮ晶体呈显ｎ型，它的载流子浓度大于１０１８ｃｍ。。相关的研究表明ＧａＮ材料的本底电子不是来源于杂质，而是来自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生长要求高温环境，而高温氮的蒸汽压大，易于形成ＶＮ缺陷。可能因素之二是由于缺乏ＧａＮ同质衬底，异质外延所带来的晶格失配导致的缺陷会使ＧａＮ呈１３型。现在大家普遍认为是本底电子由ＧａＮ晶体中的Ｎ空位（ＶＮ）引起的【３２】。这么的高本底载流子浓度问题，一度制约了ＧａＮ基器件的研究的前进。
随着生长ＧａＮ材料的设备发展和工艺优化，取得了较大的突破。目前，最低的非故意掺杂的ＧａＮ晶体的载流子浓度已经达至ｌＪｌ０Ｍｃｍ。的数量级ｆ３３１是最近报道的。其在室温下的电子迁移率能够达至１］９００ｃｒｎ２／Ｖ．Ｓｔ３４１。在现阶段，通过掺Ｓｉ生长成ｎ．ＧａＮ是很容易实现的。ｎ—ＧａＮ中Ｓｉ形成的是浅施主能级，发生在导带底２２ｍｅＶ处【３５】，使它们易于电离。故ｎ—ＧａＮ的载流子浓度会达到１０Ｈｃｒｎ‘３数量级。但是获得高质量的ｐ－ＧａＮ却有难度。从现阶段而言，只有通过掺Ｍｇ才能稳定得到ｐ－ＧａＮ［３６】。即便如此，如果通过ＭＯＣＶＤ系统生长出来的掺Ｍｇ的ｐ．ＧａＮ不做什么特殊处理，得到晶体呈现的是高阻态的ＧａＮ。这是因为一般情况下所制备的Ｐ型样品，都是高补偿的。必需进一步处理才能够得到Ｐ型ＧａＮ。
近几年来，如何稳定可靠的实现有效的Ｐ型掺杂是急需要的技术难题。Ａｋａｓａｋｉ等人在１９９９年率先利用低能电子束辐照的方法制备出了表面的Ｐ型掺Ｍｇ的ＧａＮ样品。Ｎａｋａｍｕｒａｄ的研究小组随后利用热退火处理的方法制备出了掺Ｍｇ的ＧａＮ样品的Ｐ型化。而且这种方法更好更方便。
目前，已经可以制备出的Ｐ型ＧａＮ晶体的载流子浓度为１０１６ｃｍ－３～１０”ｃｍ一。因为ＧａＮ是宽禁带半导体，所以这种材料的本征载流子浓度的对温度的变化不敏感。即在外界的很大温度的范围变化时ＧａＮ基器件或材料保持稳定。这种性质使得ＧａＮ基器件中只有较小的漏电流或暗电流的独特优势。
１．４
ＧａＮ的光学性质
早在２０世纪中期，人们就开始研究ＧａＮ材料了。这是因为在室温下，ＧａＮ的禁带宽度为３．３９ｅＶ，是宽禁带直接带隙半导体。它是一种具有优良性质的短波长光电子材料。在１９６９年，Ｍａｒｕｓｋａ和Ｔｉｅｔｊ∞利用光致发光（ＰＬ）的方法测得ＧａＮ的直接带隙禁带宽度是３．３９ｅＶ【３７１，这是第一次关于ＧａＮ的禁带宽度的准确报道。在其后的１９７０年，Ｐａｎｋｏｖｅ等人也利用ＰＬ测试了在１．６Ｋ低温条件下的ＧａＮ晶体在３．４７７ｅＶ处有很强的近带边发射【３引。但受制于当时的实验设备和生长工艺，这时所制备的ＧａＮ的晶体质量相对较差。这就使用那时所测得的ＧａＮ禁带宽度要比实际的ＧａＮ禁带宽度要小一些。
随后的１９７１年，第一次精确给出了３．５ｅＶ的值的是Ｂｌｏｏｍ等人，他们采用的赝势法进一步纠正了ＧａＮ材料的禁带宽度值。这个研究的基础之上，他们又通过经验的赝势法拟合实验数据，得到更加精确的能带结构，更新了他们的数值［３９舯】。１９９６年，经历了多位科研人员的成果，Ｃｈｅｎ等人的进一步研究，精确地给出这样的数值：在Ｔ－０Ｋ时，ＧａＮ的禁带宽度为３．５０４ｅＶ［４１１。在Ｔ＝０Ｋ时的低温光谱中，他们观测到与ＧａＮ价带相关的能级劈裂的Ａ、Ｂ、Ｃ－－类激子的复合跃迁。他们再结合光致发光谱和相关的理论分析，得到了能带结构。如下图１．２所示。
在室温下，ＧａＮ的ＰＬ谱的发光峰一般只有两个峰，分别是带边峰和黄光峰，其中的
黄光峰的能级在２．２ｅＶ左右。偶尔也会出现蓝带峰，在２．９ｅＶ左右。为什么会出现黄光峰，学界目前还没有公认的解释。有的研究者认为：因为晶体结晶质量较差，由此会导致室温下的ＰＬ光谱的带边峰的强度会减弱，黄带等非本征发光峰会因此而增强。大部分研究者认为这是浅施主到深受主的跃迁发射。有学者认为浅施主至）ＪＧａ空位的跃迁是引起黄光峰的原因。通过实验，Ｋ．Ｓａｏｒｉｎｅｎ等学者［４２］的实验表明：会因Ｇａ空位浓度越大，黄光峰的发光强度也越强。
目前而言，有关偶尔出现的２．９ｅＶ左右的蓝带峰，和它的发光机理的研究较少。有的学者的研究表明【４３】：自由电子跃迁至ＧａＮ晶体中的由缺陷引起的受主能级，由此会致蓝带峰的产生。另外，在ＧａＮ的低温ＰＬ谱的测试过程中，会经常出现束缚激子峰、声子伴线、自由激子峰等带边结构。在这些以外，还会有位于低能带的施主受主对峰和它的声子伴线；以及一些与ＧａＮ晶体中的杂质或缺陷有关的非本征跃迁峰，常见的如位于３．４３ｅｖ和２．２ｅｖ的发光峰。（免责声明：文章来源于网络，如有侵权请联系作者删除。）