榮 新 李順峰 葛惟昆

(1 北京大學(xué)物理學(xué)院寬禁帶半導(dǎo)體研究中心，北京 100871； 2 北京大學(xué)物理學(xué)院東莞光電研究院，廣東 東莞 523808)

第三代半導(dǎo)體Ⅲ族氮化物的物理與工程
——從基礎(chǔ)物理到產(chǎn)業(yè)發(fā)展的典范

榮 新1李順峰2葛惟昆1

(1北京大學(xué)物理學(xué)院寬禁帶半導(dǎo)體研究中心，北京 100871；2北京大學(xué)物理學(xué)院東莞光電研究院，廣東 東莞 523808)

以氮化鎵(GaN)為代表的Ⅲ族氮化物屬于寬禁帶半導(dǎo)體，即通常所謂“第三代”半導(dǎo)體材料。作為Si、Ge以及傳統(tǒng)Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體之后的新一代半導(dǎo)體材料，GaN具有更大的禁帶寬度、更高的擊穿電場(chǎng)、更穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)等優(yōu)異特性，已經(jīng)成為半導(dǎo)體研究極為重要的領(lǐng)域和國(guó)家重大研究方向。盡管Ⅲ族氮化物的晶體質(zhì)量與傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料相比仍然有很大差距，但并不妨礙Ⅲ族氮化物及其量子結(jié)構(gòu)在光電器件及電子器件中的廣泛應(yīng)用，圍繞GaN及其他相關(guān)氮化物半導(dǎo)體的研究和開發(fā)，在物理與工程方面都具有極為特殊的意義，是基礎(chǔ)物理研究和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用結(jié)合的典范。

Ⅲ族氮化物；發(fā)光二極管；半導(dǎo)體技術(shù)；產(chǎn)業(yè)化；物理與工程的結(jié)合

0 諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的榮耀

2014年12月10日，瑞典斯德哥爾摩見證了一個(gè)歷史時(shí)刻，日本科學(xué)家赤崎勇(I.Akasaki)、天野浩(H.Amano)和美籍日裔科學(xué)家中村修二(S.Nakamura)因發(fā)明高效藍(lán)光LED被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他們的獲獎(jiǎng)理由是：為人類帶來了明亮節(jié)能的白色光源。

圖1 LED原理示意圖及藍(lán)光LED結(jié)構(gòu)圖[5]

20世紀(jì)60年代，人們相繼發(fā)明了高亮度紅色和綠色LED，于是迫切期待三原色中另一重要成員藍(lán)光LED的實(shí)現(xiàn)，以引發(fā)白光照明的革命，開啟LED全色顯示時(shí)代。然而藍(lán)光LED所需晶體材料的制備等難題長(zhǎng)期無法取得突破，曾被斷言在20世紀(jì)難以實(shí)現(xiàn)。日本名古屋大學(xué)赤崎勇教授及其學(xué)生天野浩一起向這一世界難題發(fā)起挑戰(zhàn)，于上世紀(jì)80年代末先后突破了高質(zhì)量氮化鎵(GaN)單晶生長(zhǎng)和p型摻雜難題[1,2]，并制成世界上首支藍(lán)光LED。隨后不久，日亞化學(xué)工業(yè)公司技術(shù)人員中村修二開發(fā)了新的GaN單晶生長(zhǎng)技術(shù)路線，以及p型GaN的處理工藝[3,4]，成功制備了首個(gè)商用化高亮度藍(lán)光LED，大大推動(dòng)了其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

傳統(tǒng)熒光燈內(nèi)含有汞蒸氣，燈管工作時(shí)伴隨汞對(duì)應(yīng)的特定紫外光譜，在燈管破裂時(shí)有毒性汞釋放的風(fēng)險(xiǎn)。相比而言，LED燈更節(jié)能環(huán)保，亮度更大，使用壽命更長(zhǎng)，其原理如圖1所示。目前，LED早已進(jìn)入千家萬戶，在相機(jī)、手機(jī)、電冰箱、汽車、路燈等日常設(shè)備中廣泛應(yīng)用，包括建筑物外大型全彩顯示屏也由LED像元制成。據(jù)統(tǒng)計(jì)，LED幫助全球超過15億人告別沒有照明的時(shí)代[5]；由于全世界1/4的電量用于照明用途，所以LED大幅替代傳統(tǒng)光源大大地節(jié)省了電力和減少了環(huán)境污染，在目前火力發(fā)電仍為最主要電力來源的情況下，相當(dāng)于每年可減少數(shù)億噸二氧化碳、二氧化硫等氣體的排放。

2014年3位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)咴谒{(lán)光LED中的開創(chuàng)性工作引發(fā)了照明技術(shù)革命，深刻影響了人們的生活，LED照亮21世紀(jì)。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)旨在嘉獎(jiǎng)人類對(duì)自然規(guī)律認(rèn)識(shí)的突破和對(duì)人類生活的重大改善。2014年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)實(shí)至名歸，充分體現(xiàn)了對(duì)于基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用這樣有清晰鏈條的科技成果的肯定[6]。

1 第三代半導(dǎo)體、GaN的歷史和概述

20世紀(jì)80年代末，以GaN、SiC、ZnO 為代表的第三代半導(dǎo)體迅速興起，其中氮化物半導(dǎo)體具有直接帶隙、發(fā)光波長(zhǎng)覆蓋從紅外到紫外、導(dǎo)熱好、耐高壓、抗輻照、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)異特性，在藍(lán)光LED、紫外光電子器件等領(lǐng)域具有重大應(yīng)用價(jià)值，成為近20年來的研究熱點(diǎn)。

圖2 纖鋅礦GaN的晶體結(jié)構(gòu) (a) Ga極性; (b) N極性; (c) 纖鋅礦GaN的能帶結(jié)構(gòu)[7,8]

1.1 第三代半導(dǎo)體材料的發(fā)展簡(jiǎn)史

Si、Ge是制造晶體管和集成電路并最早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的半導(dǎo)體材料，以其為代表的第一代半導(dǎo)體成功改變了世界，給人類帶入了信息文明。這類材料具有技術(shù)成熟、質(zhì)量好、成本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，尤其Si材料可以實(shí)現(xiàn)無位錯(cuò)晶體生長(zhǎng)， 成為大規(guī)模集成電路的基礎(chǔ)。 但Si、Ge是間接禁帶半導(dǎo)體，在發(fā)光器件應(yīng)用中受到限制。以GaAs、InP為代表的第二代半導(dǎo)體，屬于直接禁帶半導(dǎo)體，是制備發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器的理想材料，同時(shí)其異質(zhì)結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)高遷移率二維電子氣，由此制造的電子器件具有優(yōu)異的頻率、效率、功率等特性，從而使第二代半導(dǎo)體在光通信和微波通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、探測(cè)等領(lǐng)域中發(fā)揮了重大作用。隨著對(duì)短波發(fā)光的迫切需要和信息產(chǎn)業(yè)對(duì)高頻特性、器件可靠性、抗輻照特性等更為嚴(yán)苛的要求，第三代半導(dǎo)體材料GaN、SiC的研究逐漸興起，它們具有大的帶隙(禁帶通常在2eV以上)、高的擊穿電場(chǎng)、高的電子飽和漂移速度、強(qiáng)的抗輻照能力等優(yōu)點(diǎn)，不但解決了白光照明問題，而且適合研制高溫、高功率器件和特殊環(huán)境下工作的各類電子器件。然而第三代半導(dǎo)體材料相對(duì)于第一代、第二代半導(dǎo)體，其晶體缺陷密度高、工藝技術(shù)相對(duì)不成熟、制備成本還很高；盡管如此，GaN基發(fā)光二極管(LED)和激光器等器件的研制取得了巨大的成功，引發(fā)了照明技術(shù)革命。實(shí)際上第三代半導(dǎo)體材料的優(yōu)異性能還沒有得到充分利用，仍然有很大的開發(fā)空間，在深紫外光電器件、功率器件、電子器件和光通信等領(lǐng)域?qū)⒋笥锌蔀椋淮骷阅芎涂煽啃缘倪M(jìn)一步研究和提高。第三代半導(dǎo)體、特別是氮化物材料、器件的研究十分活躍，已成為當(dāng)前國(guó)際熱點(diǎn)研究領(lǐng)域之一。

1.2 GaN的物理性質(zhì)

在纖鋅礦GaN中，金屬原子和氮原子構(gòu)成兩套六角密排晶格結(jié)構(gòu)，按ABAB…方式堆積而成。晶格常數(shù)a為c面內(nèi)最近鄰?fù)N原子距離，晶格常數(shù)c為沿c軸方向最近鄰?fù)N原子距離，理想情況下，c/a～1.633，兩套六角密排結(jié)構(gòu)沿c軸錯(cuò)開u·c= 0.375c，其中比例系數(shù)u為沿c軸方向最近鄰不同原子距離除以c。實(shí)際情況中，纖鋅礦氮化物中存在自發(fā)晶格畸變，c/a均小于1.633，u均大于0.375，即存在沿c軸方向的自發(fā)極化現(xiàn)象。當(dāng)晶體在c面內(nèi)受到壓應(yīng)變時(shí)，c/a逐漸趨于理想值，壓電極化與自發(fā)極化互相抵消；反之，當(dāng)晶體受到張應(yīng)變時(shí)，壓電極化與自發(fā)極化方向相同，互相增強(qiáng)。

表1 纖鋅礦結(jié)構(gòu)GaN，InN和AlN的基本參數(shù)[9]

Ⅲ族氮化物的禁帶寬度從6.1eV到0.64eV 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，覆蓋紫外、可見、紅外光譜范圍；氮化物易于通過摻雜Si或Mg替代Ga原子形成施主雜質(zhì)或受主雜質(zhì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)n型摻雜或p型摻雜，通過制備相應(yīng)量子結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)特定功能的光電子器件或電子器件。InxGa1-xN的禁帶范圍與太陽光譜匹配甚好，適合制備照明、顯示、激光器、太陽能電池、水的光解等器件；AlxGa1-xN的禁帶寬度大于3.4eV，有效抑制價(jià)帶電子熱激發(fā)，可用于制備室溫工作器件，材料生長(zhǎng)的可控性好，可用于制備節(jié)能環(huán)保深紫外光電器件；InxAl1-xN的晶格常數(shù)覆蓋范圍廣，可調(diào)節(jié)In組分與任意氮化物實(shí)現(xiàn)晶格匹配。尤其值得注意的是，氮化物是強(qiáng)極化場(chǎng)體系，極化場(chǎng)達(dá)～MV·cm-1，因而在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)中產(chǎn)生三角勢(shì)阱，形成的二維電子氣(2DEG)濃度可達(dá)～1013cm-2，并同時(shí)具有高飽和電子漂移速度、高擊穿電場(chǎng)等優(yōu)越性質(zhì)，在高功率電子器件領(lǐng)域有重要應(yīng)用價(jià)值。此外，氮化物量子結(jié)構(gòu)的導(dǎo)帶帶階(Conduction band offset, CBO)連續(xù)可調(diào)，AlN/GaN體系的CBO可達(dá)～1.8eV，從而可以實(shí)現(xiàn)光通信波段的子帶間躍遷(ISBT)紅外器件。

2 GaN研究中的物理與材料問題

本節(jié)將分別介紹GaN半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)概述、不同襯底材料與生長(zhǎng)技術(shù)、GaN半導(dǎo)體的缺陷與摻雜、InGaN合金與LED有源區(qū)、GaN的極性與非極性/半極性材料、GaN基LED的內(nèi)量子效率、AlGaN合金與紫外發(fā)光器件、GaN低維結(jié)構(gòu)及應(yīng)用等。

2.1 GaN半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)概述

2.1.1 GaN體材料生長(zhǎng)的困難與異質(zhì)外延襯底的選擇

不同于GaAs材料，GaN材料在平衡態(tài)的氮?dú)怙柡驼魵鈮汉芨?，很難用傳統(tǒng)Ⅲ-Ⅴ化合物半導(dǎo)體常用的液封直拉法(Liquid Encapsulated Czochralski, CZ or LEC)或垂直布里奇曼法(Bridgman-Stockbarge method)實(shí)現(xiàn)材料生長(zhǎng)。近年來，針對(duì)GaN體材料的生長(zhǎng)，發(fā)展了高溫高壓法、氨熱法(Ammonothermal Method)、助融劑法等液相單晶生長(zhǎng)方法。但GaN體材料的制備成本較高，直到目前，高昂的價(jià)格仍然阻礙著GaN襯底市場(chǎng)的發(fā)展。

由于GaN體材料難以制備，通常GaN單晶薄膜及量子結(jié)構(gòu)采用異質(zhì)外延的方法制備，如金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)和分子束外延(MBE)，這兩種外延技術(shù)隨著20世紀(jì)60、70年代光電、微波等先進(jìn)半導(dǎo)體器件的發(fā)展逐漸興起并被廣泛應(yīng)用[10]。MBE方法在原位監(jiān)控生長(zhǎng)、原子層精確調(diào)控、高純材料制備、同質(zhì)外延、生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)研究等方面具有優(yōu)勢(shì)，MOCVD方法則在高性能光電器件制備和成本等方面優(yōu)勢(shì)明顯，目前在GaN工業(yè)界及光電器件結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)中更多采用MOCVD方法。

在GaN研究的早期，選擇合適的異質(zhì)外延襯底生長(zhǎng)GaN單晶薄膜是首要解決的問題。襯底的選擇需要考慮生長(zhǎng)方向面內(nèi)晶體結(jié)構(gòu)的相似性、晶格常數(shù)失配、熱膨脹系數(shù)失配、襯底高溫穩(wěn)定性、熱導(dǎo)率、透光率等因素。最早使用的襯底有藍(lán)寶石Al2O3、SiC、Si(111)、GaAs等，如表2所示。

表2 各種襯底的基本參數(shù)[11]

圖3 藍(lán)寶石襯底與GaN外延層之間的晶格取向關(guān)系[12]

Si(111)襯底與GaN晶格失配和熱失配都很大，生長(zhǎng)比較困難。GaAs是立方相晶體，在GaN生長(zhǎng)溫度下不穩(wěn)定。SiC襯底的熱穩(wěn)定性好、熱導(dǎo)率高、晶格失配小(～3.4%)，是比較合適的GaN異質(zhì)外延襯底，但是SiC的生產(chǎn)工藝通常采用物理氣相輸運(yùn)技術(shù)(Physical Vapor Transportation, PVT)，該方法需要高溫條件，生長(zhǎng)速率低、成本很高、技術(shù)壟斷性強(qiáng)，難以為產(chǎn)業(yè)界廣泛采用。藍(lán)寶石材料在高溫下穩(wěn)定，并且藍(lán)寶石的c面同樣有六角對(duì)稱性，GaN生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底上有30°的晶格取向旋轉(zhuǎn)，如圖3所示?？紤]30°取向旋轉(zhuǎn)后GaN處于壓應(yīng)變，晶格失配為～16%。此外藍(lán)寶石的工業(yè)生產(chǎn)成本較低，因而非常適合做GaN異質(zhì)外延襯底。目前LED半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)主要采用藍(lán)寶石、碳化硅、硅3種襯底，藍(lán)寶石襯底占據(jù)96%以上的市場(chǎng)，其技術(shù)主要由日本、歐洲的公司掌控；碳化硅襯底由美國(guó)Cree公司壟斷；硅襯底LED主要有中國(guó)的晶能光電、英國(guó)的Plessy公司等。

2.1.2 低溫緩沖層技術(shù)

理論和實(shí)驗(yàn)表明，異質(zhì)外延生長(zhǎng)中存在臨界厚度，當(dāng)外延層厚度小于臨界厚度時(shí)為共格生長(zhǎng)(贗晶生長(zhǎng))，超過臨界厚度時(shí)外延層中聚集的應(yīng)變能將釋放，發(fā)生晶格弛豫。藍(lán)寶石襯底和GaN之間存在著大的晶格失配和熱失配，晶格失配在外延生長(zhǎng)中產(chǎn)生極大的內(nèi)建應(yīng)力，晶格弛豫形成三維島狀生長(zhǎng)，難以實(shí)現(xiàn)二維生長(zhǎng)[13]。1986年，赤崎勇和天野浩首先在氮化物生長(zhǎng)中利用AlN低溫緩沖層的方法成功實(shí)現(xiàn)了原子級(jí)平整的GaN單晶的生長(zhǎng)[1]。之后1991年，中村修二利用低溫GaN緩沖層技術(shù)生長(zhǎng)GaN薄膜，有效提高了GaN外延薄膜的質(zhì)量[3]，室溫載流子濃度達(dá)4×1016cm-3，(0002)面X射線搖擺曲線XRC半寬FWHM最佳值為1.6min。低溫緩沖層技術(shù)在20世紀(jì)80年代的Si襯底上GaAs外延中曾被使用[14]，低溫緩沖層的功能主要是實(shí)現(xiàn)大部分的應(yīng)力弛豫，并消除大部分晶格失配導(dǎo)致的位錯(cuò)和缺陷。低溫緩沖層技術(shù)是提高GaN晶體質(zhì)量的核心技術(shù)，并且由于目前GaN襯底的制備成本仍然較高，該技術(shù)在大失配襯底(如藍(lán)寶石、硅等)上外延GaN材料仍是一項(xiàng)必要和主流的技術(shù)[15]。

2.2 不同襯底材料與生長(zhǎng)技術(shù)

襯底在LED和其他半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)外延生長(zhǎng)中起關(guān)鍵的作用，同時(shí)襯底的不同也決定了后續(xù)器件工藝和封裝方案的技術(shù)路線差異。

2.2.1 藍(lán)寶石襯底

藍(lán)寶石是最早實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量GaN生長(zhǎng)突破的襯底，也是目前LED產(chǎn)業(yè)界最普遍采用的，占目前LED襯底市場(chǎng)的96%以上。藍(lán)寶石襯底具有六重對(duì)稱性，與GaN的晶格失配在16%左右，高溫穩(wěn)定性好。在藍(lán)寶石上生長(zhǎng)GaN層采用兩步法，首先在500～600℃之間生長(zhǎng)低溫緩沖層，再升溫至1000～1200℃之間生長(zhǎng)GaN層，MOCVD方法中Ⅴ/Ⅲ比控制在1000～5000之間。低溫緩沖層的生長(zhǎng)對(duì)后續(xù)GaN層的生長(zhǎng)非常關(guān)鍵，生長(zhǎng)條件窗口需要特別優(yōu)化。

目前，藍(lán)寶石襯底上的GaN生長(zhǎng)和器件工藝成熟穩(wěn)定，商用LED藍(lán)寶石襯底普遍采用圖形化藍(lán)寶石襯底(PSS)[16]，主要為微米PSS，其圖形周期和尺寸經(jīng)過優(yōu)化可提升LED的晶體質(zhì)量和出光效率。盡管GaN材料包含了很高的位錯(cuò)和缺陷密度(～108cm-2)，但材料質(zhì)量仍然滿足高性能LED的要求，InGaN有源區(qū)結(jié)構(gòu)的發(fā)光特性使其對(duì)材料位錯(cuò)密度的要求并不敏感[17]。不過，進(jìn)一步發(fā)展激光器、高穩(wěn)定性可靠性電子器件、解決器件散熱問題等仍需依賴于低位錯(cuò)密度GaN材料，需采用PSS上的GaN厚膜(～100μm)或GaN自支撐襯底。

2.2.2 碳化硅(SiC)襯底

碳化硅(SiC)本身也是非常重要的寬禁帶半導(dǎo)體材料，禁帶寬度在 3.2eV(4H-SiC)。由于是間接禁帶材料，其帶間輻射復(fù)合發(fā)光需要有聲子的參與，發(fā)光效率極低，因而不適于做發(fā)光器件。但碳化硅材料具有非常好的物理性能，它的高溫穩(wěn)定性好，其晶體結(jié)構(gòu)具有4H、6H、3C等多種構(gòu)型，熱導(dǎo)率達(dá)到3.7W·(cm·K)-1, 超過藍(lán)寶石的10倍，非常適于做大功率LED的襯底。其中常用于LED外延襯底的 4H-SiC晶格常數(shù)與GaN僅相差3%左右。同時(shí)碳化硅是半導(dǎo)體材料，通過摻雜可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電的n型材料，其大禁帶寬度使材料對(duì)可見光是透明的。因此，碳化硅非常適于做垂直結(jié)構(gòu)的LED，而不必剝離襯底。

但是高質(zhì)量的碳化硅襯底材料難以獲得。目前，市場(chǎng)上SiC襯底材料的提供商主要有美國(guó)Cree公司及日本少數(shù)幾家公司。SiC襯底的生長(zhǎng)主要是利用PVT方法，需要很高的生長(zhǎng)溫度，生長(zhǎng)速率小，晶體中的微管缺陷不易控制，因此高質(zhì)量SiC襯底的價(jià)格較高。目前，主流的LED廠商僅有美國(guó)Cree公司利用SiC作為L(zhǎng)ED的外延襯底，在公開報(bào)道的電光轉(zhuǎn)換效能上該公司在業(yè)界是最好的，2014年實(shí)驗(yàn)室達(dá)到的指標(biāo)超過300lm·W-1[18]。

2.2.3 硅(Si)襯底

得益于微電子工業(yè)的飛速發(fā)展，硅單晶襯底的晶體質(zhì)量已經(jīng)接近完美，價(jià)格便宜；尤其是6～8英寸大尺寸硅(Si)襯底來源非常容易，目前6英寸藍(lán)寶石襯底供貨量還有限，更不能大批量提供8寸襯底。此外，使用硅襯底在工藝路線上會(huì)與藍(lán)寶石襯底上的LED不同，原則上硅襯底外延器件的工藝可以借鑒6寸或8寸硅微電子工藝線，在Si(100)和Si(110)上外延制備的光電器件還可以和CMOS兼容。

由于藍(lán)寶石襯底技術(shù)在日本及歐洲等國(guó)家形成專利壁壘，限制了后來者的加入，因此發(fā)展硅襯底LED技術(shù)對(duì)我國(guó)固態(tài)照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的實(shí)際意義。但硅襯底與GaN材料的物理性能相差較大，其中晶格失配在～17%，熱失配達(dá)～54%，導(dǎo)致GaN在生長(zhǎng)結(jié)束降溫過程中發(fā)生翹曲和龜裂，因此硅襯底上LED結(jié)構(gòu)的外延在早期曾一度被認(rèn)為是不可能的技術(shù)路線。為了解決這些問題，通常需要在GaN外延層和硅襯底之間插入較為復(fù)雜的緩沖層或成核層以降低位錯(cuò)密度，同時(shí)在外延層中預(yù)置應(yīng)力補(bǔ)償熱失配導(dǎo)致的翹曲和龜裂。主要插入層方法有3種：低溫AlN插入層，單層、多層AlGaN插入層，AlN/GaN超晶格插入層。

目前，硅襯底上GaN生長(zhǎng)和器件工藝已經(jīng)研究多年，技術(shù)逐漸接近成熟。由于外延結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，以及器件工藝中需要?jiǎng)冸x吸收可見光的硅襯底等原因，該技術(shù)仍然具有挑戰(zhàn)性。近年國(guó)際上有幾家公司在大力發(fā)展基于硅襯底的LED技術(shù)，國(guó)內(nèi)晶能光電在硅襯底GaN基LED技術(shù)上取得了很大的突破，在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化和商業(yè)化。

2.2.4 GaN襯底

一般而言，同質(zhì)外延是器件外延生長(zhǎng)的最佳選擇。傳統(tǒng)GaAs、InP等材料為襯底的同質(zhì)外延器件能夠?qū)崿F(xiàn)非?？煽康男阅堋ＭǔＭ|(zhì)體材料襯底的缺陷密度小，無晶格失配和熱失配，外延材料具有很好的質(zhì)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更好的器件性能。GaN同質(zhì)外延的關(guān)鍵因素是GaN體材料生長(zhǎng)的困難。由于平衡態(tài)GaN和氮?dú)饩哂蟹浅８叩恼羝麎?，如圖4，因此用通常生長(zhǎng)GaAs的直拉法或布里奇曼法來制備GaN晶體非常困難。目前報(bào)道，波蘭高壓所在高壓條件下實(shí)現(xiàn)了由Ga和N2合成GaN單晶。生長(zhǎng)體材料GaN的方法主要有高壓氮?dú)馊芤悍?HPNS)、鈉流法(Na flux)、氫化物氣相外延(HVPE)、氨熱法(Ammonothermal)等，相應(yīng)生長(zhǎng)條件及位錯(cuò)密度參照表3。

圖4 AlN、GaN、InN平衡蒸氣壓[19]

生長(zhǎng)方法生長(zhǎng)壓強(qiáng)生長(zhǎng)溫度/℃生長(zhǎng)速率/(μm·h-1)位錯(cuò)密度/cm-2高壓氮?dú)馊芤悍?～2GPa～17001～3102鈉流法3～5GPa80010～40102～104氫化物氣相外延105Pa1020～1050100～200104～106氨熱法100～600GPa500～7501～30103

對(duì)于GaN基器件來說，LED性能對(duì)材料中的位錯(cuò)密度不敏感，目前藍(lán)寶石襯底上藍(lán)光LED的位錯(cuò)密度通常在108～1010cm-2，比傳統(tǒng)Ⅲ-V半導(dǎo)體材料高約6個(gè)數(shù)量級(jí)，而藍(lán)光LED的電光轉(zhuǎn)換效率在50%以上，達(dá)到或高于傳統(tǒng)高質(zhì)量磷化物材料的紅光LED的光電轉(zhuǎn)換效率。但對(duì)于藍(lán)綠光激光器(LD)而言， 其性能和壽命與襯底材料的質(zhì)量密切相關(guān)，高質(zhì)量的GaN襯底材料是生長(zhǎng)高性能藍(lán)綠光激光器必不可少的。目前，激光器領(lǐng)域是高質(zhì)量低位錯(cuò)密度的體材料GaN襯底最重要的市場(chǎng)，但當(dāng)前常用的HVPE法生長(zhǎng)的GaN體材料位錯(cuò)密度通常在106cm-2，并且晶面有一定翹曲，還不能完全滿足高性能激光器外延襯底的需要。

雖然利用體材料GaN作為襯底外延生長(zhǎng)LED，能夠獲得很好的器件性能，但在實(shí)際應(yīng)用中，高昂的GaN襯底價(jià)格阻礙了其作為L(zhǎng)ED外延襯底的使用。目前，市場(chǎng)上報(bào)道僅有中村修二所在的美國(guó)Soraa公司和韓國(guó)三星公司開發(fā)體材料GaN上的LED。Soraa公司報(bào)道了利用GaN襯底制備的MR16型LED，其出光功率比傳統(tǒng)基于藍(lán)寶石襯底的LED可提升5～10倍[21]，由于襯底位錯(cuò)密度低3個(gè)數(shù)量級(jí)，所以器件生熱少，封裝工藝也更簡(jiǎn)單。此外，體材料GaN還用于功率電子器件及射頻器件的襯底中。近年，非極性/半極性GaN外延獲得了很多關(guān)注，主要用于消除或減弱極性GaN半導(dǎo)體中的內(nèi)建極化電場(chǎng)。

除了上述常見的襯底材料，能夠在文獻(xiàn)上見到的氮化物外延襯底材料還有LiGaO2、MgAlO3，以及金屬襯底等，但這些襯底材料在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用極少，近幾年，有人探索在玻璃或金屬襯底上外延GaN材料的可能性，期望進(jìn)一步降低LED成本，但性能還不理想。

2.3 GaN半導(dǎo)體的缺陷與摻雜

要獲得LED、激光器等器件，通過摻入施主或受主原子獲得穩(wěn)定可靠的n型或p型GaN材料是基本要素，是最核心的科學(xué)問題之一?？梢哉f，沒有摻雜，沒有p-n結(jié)，半導(dǎo)體器件就無從談起。但在摻入施主或受主原子時(shí)，可能在材料中引入新的缺陷或者一些復(fù)合物(絡(luò)合物，complex)，而且，外延生長(zhǎng)的模式和表面形貌等都會(huì)受到摻雜源氣體和摻雜原子的影響。

目前，MOCVD或MBE方法獲得的非故意摻雜GaN半導(dǎo)體都呈現(xiàn)n型，電子濃度與GaN材料的晶體質(zhì)量有關(guān)，室溫下背景電子濃度一般在1015cm-3以上。要獲得p型半導(dǎo)體，要求p型受主必須首先補(bǔ)償n型本征施主，才能實(shí)現(xiàn)p型導(dǎo)電。

2.3.1 p型摻雜與受主激活

在GaAs半導(dǎo)體中，常用p型摻雜的受主是Be、C或Mg原子。在早期GaN的研究中，通過在GaN中摻Zn研究p型摻雜，但效果并不明顯，隨后轉(zhuǎn)向研究GaN中摻Mg實(shí)現(xiàn)p型摻雜并取得了巨大的成功[15]。目前認(rèn)為，只有Mg原子是適合GaN的p型摻雜元素。根據(jù)報(bào)道，C原子還不能獲得穩(wěn)定的p型半導(dǎo)體。而Be原子有劇毒，在MOCVD生長(zhǎng)中極少被采用。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)量和理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，Mg在GaN中引入的是深受主能級(jí)，最淺的受主能級(jí)在價(jià)帶邊之上170meV[22], 而Mg原子在GaAs中引入的能級(jí)深度僅28meV。根據(jù)公式計(jì)算，室溫下，GaN中僅有1%～2%的Mg原子離化起受主的作用。因此，要獲得高空穴載流子濃度，應(yīng)該摻入比設(shè)計(jì)空穴濃度高2個(gè)數(shù)量級(jí)濃度的Mg原子。然而，高摻入Mg原子并不一定能獲得高空穴濃度，這是由于Mg原子在GaN生長(zhǎng)中能夠產(chǎn)生一些絡(luò)合物，如與有機(jī)源和載氣中的氫H形成Mg-H絡(luò)合物等，絡(luò)合物對(duì)Mg原子起鈍化作用使Mg原子難以激活離化。另外，高M(jìn)g源流量會(huì)嚴(yán)重影響外延膜表面形貌，使GaN表面粗糙，在1020cm-3或更高M(jìn)g摻雜情況下，GaN會(huì)產(chǎn)生反向疇(inversion domain)，改變GaN的極性。生長(zhǎng)中Mg重?fù)诫s可被用來把GaN通常呈現(xiàn)的Ga極性改變?yōu)镹極性。如果要使Mg形成受主，需要將Mg-H鍵斷開。赤崎勇和天野浩于1989年利用低能電子輻照摻Mg的GaN的方法首次實(shí)現(xiàn)了呈p型導(dǎo)電的GaN[2]。之后中村修二利用熱退火的辦法同樣獲得了p型導(dǎo)電的GaN半導(dǎo)體[4]，該工藝特別適合工業(yè)化生產(chǎn)，是目前p型GaN實(shí)現(xiàn)Mg受主激活的標(biāo)準(zhǔn)手段。受限于Mg的摻入濃度和高激活能，目前利用Mg摻雜在MOCVD生長(zhǎng)中能夠獲得的空穴濃度一般在1～2×1018cm-3或以下。對(duì)于短波長(zhǎng)或者紫外器件，AlGaN是必不可少的。而Mg原子在AlxGa1-xN中的能級(jí)更深，因此高Al組分AlGaN的p型摻雜仍是目前的一個(gè)難題。

2.3.2 n型摻雜進(jìn)展

GaN半導(dǎo)體的n型摻雜比較容易實(shí)現(xiàn)。目前最常用的摻雜原子是Si和Ge。Si是最早用于實(shí)現(xiàn)GaN半導(dǎo)體n型摻雜的原子。Si原子在GaN中傾向于替代Ga原子的位置，成為施主。Si是一個(gè)很有效的施主，Si摻雜最高可以實(shí)現(xiàn)～1020cm-3的電子濃度。然而高硅摻雜會(huì)明顯影響GaN外延膜的表面形貌，導(dǎo)致表面粗糙。在MOCVD選區(qū)橫向外延(ELOG)和納米結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)中，高濃度的Si摻雜對(duì)最終形貌的影響能夠起到?jīng)Q定性的作用，因?yàn)楦吖柰榱髁磕軌蝻@著促進(jìn)縱向生長(zhǎng)。

由于高Si摻雜對(duì)生長(zhǎng)形貌的影響，近年，人們也開始注意其他摻雜元素，比如Ge。文獻(xiàn)報(bào)道當(dāng)Si摻雜電子濃度達(dá)到1.9×1019cm-3以上時(shí)張應(yīng)變嚴(yán)重導(dǎo)致外延膜三維生長(zhǎng)，但Ge摻雜對(duì)外延膜應(yīng)變的影響較小，在電子濃度達(dá)到2.9×1020cm-3時(shí)仍然保持二維生長(zhǎng)模式[23]。

2.3.3 GaN中的缺陷能級(jí)與黃光帶

1) 本征缺陷能級(jí)

GaN的本征缺陷主要有N空位VN、Ga空位VGa、本征間隙原子(Gai或Ni)、反位缺陷(NGa或GaN)等[24]。對(duì)于空位究竟是施主型還是受主型，可以做一個(gè)簡(jiǎn)單的分析。根據(jù)定義，一個(gè)缺陷如果可以有中性和正電兩種荷電狀態(tài)， 他就是施主，而受主則具有中性和負(fù)電兩種荷電狀態(tài)。在Ga-N鍵中，N原子帶負(fù)電，N空位處如果添加N原子形成完整晶格將是電中性的，因此N空位處必然形成局域化的正電中心，這個(gè)正電中心類似于離化的施主雜質(zhì)，有能力束縛電子。事實(shí)也的確如此，GaN的本征缺陷中，N空位是淺施主型缺陷。同理，Ga空位是受主型缺陷。本征間隙原子和反位缺陷的形成能較高，一般不容易出現(xiàn)。具體各種缺陷的形成能(formation energy)如圖5所示。

圖5 各種缺陷的形成能隨費(fèi)米能級(jí)的變化， 費(fèi)米能級(jí)的零點(diǎn)是GaN的價(jià)帶頂[24](a) 本征點(diǎn)缺陷； (b) 部分本征缺陷和n型雜質(zhì)

2) 非故意摻雜與黃光發(fā)射峰

在MOCVD方法生長(zhǎng)的GaN外延層中，C、H、O、Si是常見的非故意摻雜原子。這些雜質(zhì)原子來源于反應(yīng)氣體源、反應(yīng)室材料和襯底材料，它們?cè)诟邷厣L(zhǎng)中摻入GaN外延層。O、Si是淺施主型雜質(zhì)，這是由于通常O替代N原子，Si替代Ga原子，即產(chǎn)生ON和SiGa兩種替位雜質(zhì)。H雜質(zhì)在p型摻雜中是不利因素，容易形成Mg-H絡(luò)合物。C雜質(zhì)在GaN中有多種原子構(gòu)型，如CGa、CN、C-O絡(luò)合物等，這也是目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)，在GaN基高電子遷移率晶體管(HEMT)中故意摻C雜質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)高阻層，使器件承受更高的擊穿電壓，但對(duì)器件穩(wěn)定性方面是不利因素，其對(duì)器件的影響很可能是非常關(guān)鍵的因素，不過目前尚不完全明確，有待進(jìn)一步研究。

在光致熒光譜(PL譜)中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)GaN外延層在550nm附近(～2.2eV, yellow luminescence)有熒光發(fā)射峰。關(guān)于黃光發(fā)射峰的討論在GaN研究中持續(xù)了很多年，目前一般認(rèn)為，黃光峰的成因主要與Ga空位有關(guān)，并且VGa-ON絡(luò)合物起到了關(guān)鍵作用[25]。

2.4 InGaN合金與LED有源區(qū)

InxGa1-xN合金是直接帶隙半導(dǎo)體，通過改變In組分其發(fā)光波段在近紅外、可見光、近紫外的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。通常認(rèn)為，InGaN材料中存在高In組分的團(tuán)簇形成局域化勢(shì)阱，限制載流子擴(kuò)散到位錯(cuò)區(qū)域，并形成高效率的輻射復(fù)合中心[17]，這使其在～108cm-2的位錯(cuò)密度下依然具有非常高的發(fā)光效率，作為發(fā)光器件有源區(qū)材料在LED和全色顯示方面取得了巨大的成功。這是高缺陷Ⅲ族氮化物材料卻能實(shí)現(xiàn)高效率藍(lán)色發(fā)光的物理基礎(chǔ)。

2.4.1 InGaN的生長(zhǎng)中的物理問題

InGaN生長(zhǎng)中會(huì)出現(xiàn)In原子的表面聚集現(xiàn)象(In surface segregation)。一般認(rèn)為這是由于原子尺寸(或鍵長(zhǎng))不同，In原子的尺寸大于Ga原子，以及In-N鍵能遠(yuǎn)小于Ga-N鍵的緣故。在外延生長(zhǎng)中，由于In-N鍵分解與高In蒸氣壓(源流量)以及應(yīng)力的影響，In原子傾向于在InGaN的表面聚集，形成InGaN表面富含In的InGaN層。同時(shí)，In-N鍵與Ga-N鍵較大的區(qū)別使InGaN在GaN材料上外延時(shí)存在很大的晶格失配和熱失配，形成高位錯(cuò)密度缺陷。

InGaN生長(zhǎng)中會(huì)出現(xiàn)相分離(Phase separation)。InN和GaN形成InGaN合金，但在通常的生長(zhǎng)溫度下InN在GaN中的互溶性較差，即在一定溫度范圍內(nèi)InN和GaN不能形成均勻的合金，因此傾向于分離出富In的團(tuán)簇和相應(yīng)的貧In的部分，即存在一定的組分波動(dòng)，在高In組分的生長(zhǎng)中，這個(gè)趨勢(shì)尤為明顯。Ho等人計(jì)算了InGaN中的混合自由能，得出了相分離的模型預(yù)測(cè)[26]，如圖6所示，InGaN中的相分離得到了很多實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。從圖中可見，相同溫度下，低In組分和高In組分InGaN較穩(wěn)定，容易生長(zhǎng)，中間組分InGaN不易生長(zhǎng)。生長(zhǎng)溫度越高，穩(wěn)態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)InGaN對(duì)應(yīng)的In組分范圍越大，反之越不利于InGaN的生長(zhǎng)。但生長(zhǎng)溫度也不宜過高，否則會(huì)導(dǎo)致InGaN分解。實(shí)驗(yàn)表明對(duì)于一定組分的InGaN存在相應(yīng)的邊界溫度(最高生長(zhǎng)溫度)，In組分越高，邊界溫度越低[27]。

圖6 InGaN中的相分離，存在穩(wěn)態(tài)、亞穩(wěn)態(tài)和不穩(wěn)態(tài)[26]

2.4.2 InN能帶隙的研究

InN的能帶寬度的測(cè)量有一段曲折歷史。高質(zhì)量的InN晶體生長(zhǎng)很困難，早期的InN樣品中氧O的含量過高導(dǎo)致背景電子載流子濃度非常高，達(dá)到1020cm-3量級(jí)，由于導(dǎo)帶中電子的填充效應(yīng)導(dǎo)致測(cè)量的禁帶寬度明顯大于實(shí)際材料的禁帶寬度，早期測(cè)量的InN的禁帶寬度基本在1.9eV左右。

在2002年之后，利用分子束外延(MBE)的方法獲得高質(zhì)量的InN晶體，重新利用光吸收和熒光法測(cè)量InN的能帶寬度，得到InN的禁帶寬度大幅降低[28,29]，目前認(rèn)為其禁帶在0.64eV左右，處于紅外波段。該值的確認(rèn)使Ⅲ族氮化物的禁帶寬度覆蓋紅外-可見-紫外的全波段范圍，使其成為重要的光電材料。測(cè)得InGaN材料的禁帶bowing系數(shù)(彎曲系數(shù))也大大降低，目前認(rèn)為InGaN的bowing系數(shù)在1.4～1.9eV的范圍[27,30]。

2.4.3 量子限制Stark效應(yīng)與量子阱生長(zhǎng)

纖鋅礦GaN材料為六方結(jié)構(gòu)，每個(gè)Ga原子周圍最近鄰4個(gè)N原子并不完全對(duì)稱，導(dǎo)致正負(fù)電荷中心不重合，因此存在很強(qiáng)的極化電場(chǎng)，極化場(chǎng)能夠使InGaN/GaN量子阱中的能帶傾斜，電子和空穴在空間將發(fā)生分離，這一方面會(huì)降低輻射復(fù)合效率，另一方面使導(dǎo)帶底到價(jià)帶頂?shù)木嚯x減小，使躍遷能量紅移，這個(gè)效應(yīng)被稱為量子限制Stark效應(yīng)(QCSE)，并且量子阱的寬度越寬該效應(yīng)越顯著[31]。

由于量子限制Stark效應(yīng)，在InGaN量子阱中，隨著量子阱寬度的增加，輻射復(fù)合效率急劇減小，因此限制了InGaN量子阱的寬度，通常InGaN/GaN量子阱寬度在1～3nm之間，大的量子阱寬度導(dǎo)致發(fā)光效率降低。同時(shí)，隨著In組分的增高QCSE引起的紅移效應(yīng)愈加明顯，復(fù)合效率也會(huì)降低，因此需要高In組分的綠光高效率LED生長(zhǎng)更加困難。

2.5 GaN的極性與非極性/半極性材料

如前所述，纖鋅礦GaN中正負(fù)電荷中心并不重合，存在自發(fā)極化PSP，當(dāng)晶格處于應(yīng)變狀態(tài)時(shí)還存在壓電極化PPE引起的極化電場(chǎng)，二者矢量疊加P=PSP+PPE可形成強(qiáng)度達(dá)數(shù)個(gè)MV·cm-1的極化電場(chǎng)。該極化場(chǎng)在異質(zhì)結(jié)二維電子氣、極化誘導(dǎo)p型摻雜、隧道結(jié)中可以被利用發(fā)揮積極的作用[32]，然而在氮化物發(fā)光器件中會(huì)引起QCSE效應(yīng)，不利于輻射復(fù)合效率的提高。此外，極化場(chǎng)對(duì)于基于子帶間躍遷(ISBT)的紅外探測(cè)器領(lǐng)域也是不利的因素，不利于載流子的縱向輸運(yùn)[33]。

纖鋅礦GaN存在兩種極性，如圖3(a)為Ga極性，圖3(b)為N極性，兩種極性晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系可簡(jiǎn)單的理解為上下顛倒，但其材料生長(zhǎng)行為有顯著差異。一般規(guī)定沿c軸方向Ga原子指向最近鄰N原子的方向?yàn)閇0001]方向，其距離的理想值為0.375c。

GaN自發(fā)極化PSP的來源是Ga原子最近鄰的4個(gè)N原子與理想的正四面體有差異。理想的結(jié)構(gòu)可采用鋼球模型，u=0.375，c/a=1.633，正負(fù)電荷中心重合沒有自發(fā)極化，但實(shí)際如表1所示，纖鋅礦GaN晶格弛豫時(shí)u均大于0.375，c/a均小于1.633，存在自發(fā)極化。GaN的自發(fā)極化強(qiáng)度通常由第一性原理計(jì)算得到，通過密度泛函理論方法計(jì)算其值為-0.029C·m-2[7]，通過廣義梯度近似(GGA)方法計(jì)算其值為-0.034C·m-2[34]，負(fù)號(hào)均表示自發(fā)極化方向與[0001]方向相反。

GaN壓電極化PPE的來源是晶格處于應(yīng)力作用下進(jìn)一步畸變，當(dāng)GaN的c面受到張應(yīng)變時(shí)，c/a將更加遠(yuǎn)離1.633，PPE與PSP同號(hào)；反之c面受到壓應(yīng)變時(shí)，PPE與PSP反號(hào)，受到較強(qiáng)的壓應(yīng)變時(shí)可使PPE的數(shù)值反超PSP，二者矢量疊加得到總極化場(chǎng)P。

由于GaN極化場(chǎng)給器件帶來的問題，研究人員也在嘗試制備非極性或半極性GaN材料，非極性面如m面(10-10)面或a面(11-20)面，半極性面如r面(10-12)面等。當(dāng)前的非極性/半極性材料可以通過m面自支撐GaN襯底等實(shí)現(xiàn)薄膜生長(zhǎng)，也可以通過納米柱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，在納米柱的側(cè)壁一般為非極性面，Ga極性納米柱的頂部為半極性面[35]。

2.6 GaN基LED的內(nèi)量子效率

2.6.1 缺陷密度與內(nèi)量子效率

目前商用LED中的GaN材料的位錯(cuò)密度在～108cm-2量級(jí)，對(duì)比其他Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體器件中102cm-2或更低的位錯(cuò)密度，GaN材料中如此高的位錯(cuò)密度依然能夠?qū)崿F(xiàn)與其他Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體器件相似甚至于更高的效率是大家始料未及的。應(yīng)該說，藍(lán)光LED器件的發(fā)展也推動(dòng)了大家對(duì)氮化物半導(dǎo)體材料性質(zhì)的研究。這個(gè)結(jié)果明顯說明，GaN中的這些位錯(cuò)缺陷至少在LED器件結(jié)構(gòu)和工作模式下，對(duì)器件性能的影響很小。目前，關(guān)于此現(xiàn)象原因的討論主要集中在兩點(diǎn)，主流觀點(diǎn)即上面提到的參考文獻(xiàn)[17]，認(rèn)為是得益于InGaN的中In組分非均勻的特性，高In組分團(tuán)簇能夠?qū)d流子產(chǎn)生限制效應(yīng)，形成載流子局域化，增強(qiáng)輻射復(fù)合。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為[36]，MOCVD生長(zhǎng)的InGaN位錯(cuò)處會(huì)形成V形坑(V-shaped pits)，這種特殊的結(jié)構(gòu)會(huì)在位錯(cuò)處形成勢(shì)壘，等效于對(duì)載流子有排斥作用，即存在位錯(cuò)的自屏蔽效應(yīng)，阻止載流子在位錯(cuò)處發(fā)生非輻射復(fù)合。

2.6.2 大注入效率下降

降低每流明lm的光成本是未來發(fā)展的一個(gè)主要衡量指數(shù)。理論上，單位芯片面積加大電流注入強(qiáng)度可以降低每流明的成本，但大電流注入下盡管LED的光功率增強(qiáng)，但出光效率明顯下降，即存在Efficiency droop效應(yīng)，該效應(yīng)可以歸結(jié)為內(nèi)量子效率的降低，具體存在如下兩種模型：

1) 電荷溢出(Carrier overflow)

電荷溢出是指LED在大注入時(shí)，電子或空穴的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)超過相應(yīng)的勢(shì)壘時(shí)，部分載流子不在勢(shì)阱內(nèi)復(fù)合，而是越過勢(shì)阱區(qū)到達(dá)對(duì)側(cè)勢(shì)壘區(qū)，從而降低LED出光效率。由于溢出通常是電子的溢出，設(shè)計(jì)某種合適的電子阻擋層(EBL)結(jié)構(gòu)對(duì)于緩解電荷溢出效應(yīng)有一定的幫助，但EBL也會(huì)對(duì)空穴的注入有一定的負(fù)面影響。

2) 俄歇復(fù)合(Auger recombination)

俄歇復(fù)合是指在電子與空穴復(fù)合過程中釋放出來的能量被第三個(gè)載流子(電子或空穴)吸收而躍遷到高能級(jí)，電子空穴復(fù)合的能量沒有釋放光子，而是發(fā)生非輻射復(fù)合。由于是三體作用，通常俄歇復(fù)合的幾率很小，但在載流子濃度很高時(shí)，俄歇復(fù)合的影響就逐漸顯著，大電流注入使俄歇復(fù)合概率大大提高，增強(qiáng)了非輻射復(fù)合，從而使光效降低。

2.7 AlGaN合金與紫外發(fā)光器件

紫外LED在殺菌凈化、醫(yī)療、紫外固化、特種照明等方面有重要應(yīng)用。在Ⅲ族氮化物中，AlxGa1-xN的室溫禁帶帶寬在3.4eV(GaN)到6.1eV(AlN)范圍連續(xù)可調(diào)，且都是直接禁帶半導(dǎo)體，最短可實(shí)現(xiàn)210nm的深紫外LED[37]。為了有效限制載流子，紫外LED中的量子阱發(fā)光區(qū)通常采用高Al組分AlGaN作為勢(shì)壘區(qū)。高Al組分的AlGaN生長(zhǎng)需要優(yōu)化，Al原子在氮化物表面的擴(kuò)散勢(shì)壘明顯高于Ga原子的擴(kuò)散勢(shì)壘，因此，通常需要高溫生長(zhǎng)來增加Al原子在晶體表面的擴(kuò)散長(zhǎng)度，獲得高質(zhì)量的AlGaN材料。

另外，AlGaN 合金的組分波動(dòng)比InGaN合金弱，AlGaN/GaN或AlGaN/AlGaN量子阱的發(fā)光效率低于InGaN/GaN量子阱。如前所述，盡管缺陷密度大，InGaN量子阱中由于載流子局域化效應(yīng)發(fā)光效率依然很高，而在AlGaN中缺少這種效應(yīng)，這或許是AlGaN量子阱輻射復(fù)合效率低的原因。有鑒于此，在AlGaN量子阱中時(shí)常摻入少量的In原子(<2%)，形成AlxInyGa1-x-yN四元合金，試圖也形成由于組分波動(dòng)而導(dǎo)致的載流子局域化效應(yīng)，以提高在紫外波段的輻射復(fù)合效率。但AlInGaN的生長(zhǎng)也不容易控制，由于AlN和InN的化學(xué)鍵強(qiáng)度相差很大，AlN生長(zhǎng)需要高溫、InN生長(zhǎng)需要低溫，如何獲得高質(zhì)量有一定In組分的AlInGaN是一個(gè)有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

在紫外器件中，除了高質(zhì)量的有源區(qū)，獲得高空穴濃度的p型AlGaN層是另一個(gè)非常困難的任務(wù)。圖7是Mg受主激活能隨Al組分變化的曲線，可以看到隨Al組分的增加，Mg的激活能快速增加，這意味著，Mg受主的激活比例越來越低。因此要獲得良好的器件性能，需要在p型AlGaN中大量增加Mg的摻雜濃度，而這樣又會(huì)很大地影響AlGaN材料的質(zhì)量，所以獲得高空穴濃度的p型AlGaN更加困難。因此高Al組分AlGaN的p型摻雜是實(shí)現(xiàn)高效載流子注入的關(guān)鍵，是本領(lǐng)域的核心問題之一。當(dāng)前有一種回避p型摻雜的辦法，即制備電子束泵浦紫外光源，該器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、只包含有源區(qū)多量子阱，無需p型、n型、EBL等結(jié)構(gòu)，在UVC波段出光功率可達(dá)～100mW[38]，是傳統(tǒng)深紫外光源的一種替代方案，不足之處是電子束源本身依然需要另外提供，增加了封裝的成本和復(fù)雜性。

圖7 Mg激活能隨AlGaN的Al組分的變化[22]

2.8 GaN低維結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

2.8.1 納米柱

基于GaN的納米柱結(jié)構(gòu)有很多性能上的優(yōu)勢(shì)。高度/直徑比很大的納米柱能夠有效抑制位錯(cuò)的產(chǎn)生，即使在大晶格失配的襯底上，由于橫向尺寸的減小，應(yīng)力能夠得到有效的釋放。產(chǎn)生的位錯(cuò)由于表面鏡像力的作用會(huì)在生長(zhǎng)中向側(cè)表面偏折并終結(jié)在側(cè)表面，從而大大降低了位錯(cuò)密度?；诩{米柱的LED可以在外延中做成核-殼結(jié)構(gòu)(Core-shell)，讓量子阱和p型GaN覆蓋整個(gè)納米柱的表面，增加了有源區(qū)的發(fā)光面積，使其超過襯底面積成為可能。納米柱側(cè)面是非極性的m面，生長(zhǎng)在m面的InGaN沒有QCSE效應(yīng)，可提高輻射復(fù)合幾率。另外，通過設(shè)計(jì)周期性排列的納米柱集群可形成光子晶體，提高光提取效率。除性能優(yōu)勢(shì)之外，MOCVD生長(zhǎng)納米柱在縱向的生長(zhǎng)速率大約比二維層狀薄膜高一個(gè)數(shù)量級(jí)，從而縮短生長(zhǎng)流程。

制備GaN納米柱的方法有多種，相對(duì)簡(jiǎn)單的方法是刻蝕法(Top-down)，把厚GaN膜利用模版和光刻在樣品表面制作點(diǎn)狀圖形，再通過刻蝕的方法，得到納米柱。干法刻蝕在納米柱腐蝕中用的比較多，但保持納米柱的形狀、腐蝕出大的高度/直徑比的納米柱有技術(shù)挑戰(zhàn)性。在刻蝕中，GaN膜中的參與應(yīng)力能夠得到釋放，目前，有利用這種Top-down的方法制作micro-LED陣列；而與CMOS結(jié)合，制作高分辨率的微顯示屏，是目前產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的一個(gè)新領(lǐng)域?？涛g法比較簡(jiǎn)單，但也有缺點(diǎn)。一是浪費(fèi)材料，在刻蝕中要去掉GaN厚膜的大部分GaN材料，二是位錯(cuò)減少的效應(yīng)在刻蝕法中難以利用。獲得納米柱還可以利用直接生長(zhǎng)(Bottom-up)的方法：即自組織生長(zhǎng)方法和選區(qū)生長(zhǎng)方法，通常需要大的Ⅴ/Ⅲ比來優(yōu)化生長(zhǎng)形貌；前者為氣-液-固生長(zhǎng)方法(VLS)，利用催化劑生成GaN納米柱；選區(qū)生長(zhǎng)法，則是將襯底做周期性掩模然后再生長(zhǎng)。選區(qū)生長(zhǎng)有很多優(yōu)勢(shì)，例如納米柱的排列和幾何參數(shù)可控，方便制備光子晶體結(jié)構(gòu)等。

由于納米柱器件的三維特性，在器件工藝過程中存在很多挑戰(zhàn)，比如器件漏電的可能性，熒光粉填充的問題等，但該領(lǐng)域的研究一直在推進(jìn)。目前，國(guó)際上有多個(gè)公司實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化的納米柱器件，如德國(guó)的Osram、法國(guó)的Aledia、美國(guó)的Glo等，韓國(guó)的三星公司也在積極研發(fā)。

2.8.2 量子點(diǎn)

量子點(diǎn)是3個(gè)維度受限，可以看成零維結(jié)構(gòu)，在能帶結(jié)構(gòu)中形成分立的能級(jí)，常被稱為“類原子”。通常量子點(diǎn)尺寸在幾納米或幾十納米，能夠有效限制所俘獲的載流子，量子限制效應(yīng)明顯增強(qiáng)，輻射復(fù)合效率顯著提高[39]。半導(dǎo)體量子點(diǎn)依托于半導(dǎo)體技術(shù)的成熟和迅猛發(fā)展得到了廣泛重視，具有窄線寬、量子效率高、中心波長(zhǎng)可調(diào)、易于集成等優(yōu)點(diǎn)，在固態(tài)發(fā)光器件和量子光源等領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展空間。

常見的半導(dǎo)體量子點(diǎn)生長(zhǎng)方法是自組織SK生長(zhǎng)方法(Stranski-Krastanow)[40]，該方法簡(jiǎn)便易行，被廣泛應(yīng)用，但量子點(diǎn)的可控性較差。針對(duì)這個(gè)問題，近年發(fā)展了幾種結(jié)合納米柱制備量子點(diǎn)的新方法。比如在Ga極性納米柱的頂端會(huì)形成類金字塔結(jié)構(gòu)，通過制備核殼結(jié)構(gòu)可在金字塔的頂部形成三維受限，即形成GaN量子點(diǎn)[35]，而納米柱的間距可通過圖形化結(jié)構(gòu)很好的控制，因此該方法可以實(shí)現(xiàn)低密度周期可控的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)。而在N極性納米柱的頂端會(huì)形成平頂結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上可制備量子點(diǎn)耦合納米線結(jié)構(gòu)(dot-in-nanowire)[41]。

在發(fā)光器件中，量子點(diǎn)通常被設(shè)計(jì)在量子阱中形成阱中點(diǎn)結(jié)構(gòu)(dot-in-a-well)[42]，進(jìn)而增強(qiáng)載流子局域化。此外由于應(yīng)力的釋放，量子點(diǎn)可以容納更多的In組分，因此更適合制備長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)光器件。量子點(diǎn)還可以應(yīng)用于激光器中，相比于量子阱激光器和量子線激光器，量子點(diǎn)激光器有更好的量子限制，可實(shí)現(xiàn)更低閾值的激光器，同時(shí)在光譜純度、溫度特性等方面表現(xiàn)出更優(yōu)異的性能。

3 GaN基LED及其他光電器件的研究與產(chǎn)業(yè)化

材料的性質(zhì)決定器件的性能，本章簡(jiǎn)要介紹各種GaN基光電器件，依次介紹LED、激光器、紫外LED的器件研究和產(chǎn)業(yè)化。

3.1 LED

可見光LED照明是目前GaN材料應(yīng)用最大的市場(chǎng)，已經(jīng)形成一個(gè)較為成熟的產(chǎn)業(yè)，InGaN材料中發(fā)光效率對(duì)外延膜位錯(cuò)不敏感的特性是其能實(shí)現(xiàn)高亮度LED并進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化的核心所在，目前器件發(fā)光效率最高已經(jīng)達(dá)到300lm·W-1[18]。在LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展早期，各公司和機(jī)構(gòu)在LED性能上的競(jìng)爭(zhēng)激烈，提高很快。近幾年，產(chǎn)業(yè)和市場(chǎng)逐步進(jìn)入成熟，LED性能逐步增長(zhǎng)，應(yīng)用領(lǐng)域也在逐漸擴(kuò)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，LED的市場(chǎng)增長(zhǎng)迅速，2016年中國(guó)LED市場(chǎng)規(guī)模超過4000億元。在LED產(chǎn)業(yè)鏈上，上游包含襯底、外延材料和芯片，中游包含LED的封裝，下游包含應(yīng)用和燈具模塊。近幾年，國(guó)內(nèi)的LED產(chǎn)業(yè)日趨成熟，產(chǎn)業(yè)開始走向規(guī)模和成本決定的階段。LED在家用照明的滲透率也在快速提高。LED在顯色指數(shù)(CRI)以及節(jié)能方面的優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的認(rèn)同。目前在照明、顯示、標(biāo)識(shí)、亮化工程等等領(lǐng)域都形成了很顯著的優(yōu)勢(shì)和市場(chǎng)占有率。

3.1.1 襯底

目前占據(jù)市場(chǎng)絕對(duì)主流的還是藍(lán)寶石襯底，自支撐GaN襯底的成本對(duì)于LED來說較高因而沒有被廣泛使用。目前LED產(chǎn)業(yè)界重要的一項(xiàng)襯底技術(shù)是圖形化藍(lán)寶石襯底PSS技術(shù)。 具體而言，分為微米圖形化MPSS和納米圖形化NPSS。而NPSS技術(shù)要求更高，仍然不切合LED的低成本要求，所以廣泛采用的技術(shù)是MPSS技術(shù)。硅襯底這幾年國(guó)內(nèi)在晶能光電的推動(dòng)下，應(yīng)用市場(chǎng)逐步增加，尤其在垂直結(jié)構(gòu)器件應(yīng)用領(lǐng)域，由于避免了復(fù)雜的襯底激光剝離技術(shù)，有一定的優(yōu)勢(shì)。在近年自支撐GaN襯底的研究中，一方面研究人員不斷降低GaN襯底的成本以適應(yīng)激光器或大注入下的發(fā)光器件要求，另一方面不斷開發(fā)替代自支撐襯底的厚膜(～100μm)方案，但外延片存在嚴(yán)重的翹曲問題。此外研究人員還嘗試在金屬板上或新型二維材料上生長(zhǎng)GaN材料以期降低LED對(duì)基板的要求，擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。

3.1.2 外延和芯片

芯片外延的主要生產(chǎn)工藝是采用MOCVD技術(shù)，其生長(zhǎng)成本較低，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。一般的樣品結(jié)構(gòu)是先生長(zhǎng)一些緩沖層結(jié)構(gòu)或超晶格結(jié)構(gòu)，然后生長(zhǎng)n-GaN底電極層，再生長(zhǎng)數(shù)個(gè)周期的InGaN多量子阱結(jié)構(gòu)，最后生長(zhǎng)p-GaN頂電極層。具體細(xì)節(jié)各公司針對(duì)不同的外延襯底有各自的生長(zhǎng)菜單，為了規(guī)避專利限制，結(jié)構(gòu)中會(huì)有些獨(dú)特的設(shè)置。MBE方法目前在LED產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用還很有限，但生長(zhǎng)某些超薄結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)有所應(yīng)用。

3.1.3 封裝

LED芯片封裝方式有多種，典型的結(jié)構(gòu)有：水平結(jié)構(gòu)、垂直結(jié)構(gòu)(防止電流擁擠 current crowd)、倒裝結(jié)構(gòu)、薄膜倒裝結(jié)構(gòu)(TFFC，去掉藍(lán)寶石的倒裝結(jié)構(gòu))。封裝中要考慮熱管理，降低熱阻，在大電流注入高亮度LED中熱管理尤為重要，對(duì)于生熱嚴(yán)重的器件還需要從上游襯底和芯片環(huán)節(jié)加以改進(jìn)。目前還發(fā)展了一種免封裝技術(shù)，即晶圓級(jí)封裝技術(shù)(WLP)，希望進(jìn)一步降低封裝的成本。但晶圓級(jí)封裝還需要更多的工藝優(yōu)化，才能達(dá)到成熟可靠。

3.1.4 應(yīng)用

目前LED的終端價(jià)格已經(jīng)很低，所以LED成本要素是關(guān)鍵，各種新技術(shù)如果在成本上沒有優(yōu)勢(shì)則很難持續(xù)發(fā)展。但對(duì)于特種照明， 由于價(jià)值較高，可以適當(dāng)放寬成本要求。此外，成品率也是關(guān)鍵要素。按照美國(guó)能源部(DOE)固態(tài)照明技術(shù)路線圖的預(yù)計(jì)，到2020年，LED的每千流明價(jià)格將降至 ～ 0.3美元，LED在照明市場(chǎng)的占有率將達(dá)到60%。

近10年來，我國(guó)固態(tài)照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，產(chǎn)業(yè)成熟度較高，在材料、芯片、封裝和燈具等各環(huán)節(jié)均具備了較大的規(guī)模， 并發(fā)展出若干龍頭企業(yè)。國(guó)內(nèi)LED企業(yè)在封裝和應(yīng)用環(huán)節(jié)在國(guó)際上規(guī)模最大、技術(shù)也很先進(jìn)，但是在技術(shù)密集的材料和芯片領(lǐng)域，對(duì)比國(guó)際水平還有差距。應(yīng)該加大研發(fā)力度，特別是對(duì)襯底、有源區(qū)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和外延方面加大投入，在特種光源方面提高競(jìng)爭(zhēng)力。

3.2 激光器LD

相比于傳統(tǒng)氣體激光器或固體激光器，半導(dǎo)體激光器LD體積小巧，發(fā)光波長(zhǎng)靈活性更大，可以通過設(shè)計(jì)特定量子結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。GaN基激光器相比于LED對(duì)襯底的要求更為苛刻，位錯(cuò)密度應(yīng)該達(dá)到105cm-2或更低，必須采用自支撐GaN襯底。半導(dǎo)體激光器的一般結(jié)構(gòu)是InGaN量子阱結(jié)構(gòu)，側(cè)面通過晶面解理，設(shè)計(jì)諧振腔結(jié)構(gòu)。通過大電流的注入，當(dāng)電子和空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)之差超過阱中的禁帶寬度時(shí)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，進(jìn)一步當(dāng)增益大于損耗時(shí)注入電流達(dá)到閾值電流Ith以上，發(fā)生激射(Lasing)。除了通常的側(cè)面出光的LD，還存在另一種垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)，激光沿著c軸出光，在VCSEL中有源區(qū)結(jié)構(gòu)上下需要生長(zhǎng)分布式布拉格反射鏡(DBR)結(jié)構(gòu)制備諧振腔。

GaN基激光器早期發(fā)展的最大驅(qū)動(dòng)力來自于藍(lán)光光盤，由于波長(zhǎng)的縮短，聚焦點(diǎn)的減小，藍(lán)光光盤可以在單位尺寸上容納更多的數(shù)據(jù)量，遠(yuǎn)大于當(dāng)前4.7GB紅光DVD的容量。2003年，Sony公司推出了首款藍(lán)光DVD播放器產(chǎn)品BD(Blu-ray Disc)。然而，其他存儲(chǔ)設(shè)備如硬盤[43]和U盤(快閃存儲(chǔ)器)[44]的快速發(fā)展，使藍(lán)光DVD的發(fā)展受到限制，因而影響了GaN激光器在這一領(lǐng)域的需求。未來，基于GaN的藍(lán)綠光激光器的一個(gè)最大的市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力可能來源于激光顯示和激光照明。國(guó)內(nèi)目前依托于蘇州納米所的納睿光電能夠生產(chǎn)產(chǎn)品化的GaN藍(lán)光激光器。

3.3 紫外LED

近幾年，紫外LED受到了市場(chǎng)的極大關(guān)注，是當(dāng)前科研和產(chǎn)業(yè)化的熱點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)汞燈，AlGaN基紫外光源是一種固態(tài)節(jié)能環(huán)保光源，發(fā)光波長(zhǎng)在210～400nm范圍內(nèi)可調(diào)，發(fā)光品質(zhì)也更好。根據(jù)國(guó)際公約，2020年中國(guó)要全面禁止生產(chǎn)含汞產(chǎn)品，進(jìn)一步加速了AlGaN紫外光源的需求和發(fā)展。

按照發(fā)光波段UVLED具體可分為UVA(400～320nm)、UVB(320～280nm)、UVC(280～200nm)3個(gè)波段[45]。UVA是當(dāng)前紫外UV市場(chǎng)占比最高的波段，在紫外固化方面有重要應(yīng)用，生產(chǎn)UVA波段LED的公司主要是日本日亞公司。UVB波段在治療皮膚病、促進(jìn)維生素D合成方面有應(yīng)用。UVC波段在殺菌、空氣/水體凈化等方面應(yīng)用潛力巨大。在UVB和UVC波段，主要是美國(guó)SET公司。此外，美國(guó)Lumileds、德國(guó)Osram、韓國(guó)LGIT、首爾半導(dǎo)體等公司也有相應(yīng)產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)方面，UV公司主要有青島杰生、西安中為、鴻利光電等，科研單位主要有中科院半導(dǎo)體所、廈門大學(xué)、華中科技大學(xué)、北京大學(xué)等。

UV市場(chǎng)近年來不斷增長(zhǎng)，國(guó)際大公司和科研單位紛紛在該領(lǐng)域布局，加強(qiáng)研發(fā)力量。但整體而言，其市場(chǎng)規(guī)模仍然較小，根據(jù)法國(guó)市場(chǎng)調(diào)研公司Yole Développement報(bào)告，預(yù)計(jì)2019年UVLED的市場(chǎng)將達(dá)到5億美元，未來仍有較大增長(zhǎng)空間。

4 GaN產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展

4.1 GaN基半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展

4.1.1 半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展與激光照明

未來LED照明將繼續(xù)成熟，不斷降低成本、提高性能，在照明、顯示等領(lǐng)域的滲透率不斷增長(zhǎng)；并且隨著性能的提高和對(duì)LED理解的深入，新的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嘤楷F(xiàn)。新型具有智能控制接口或功能的智慧照明技術(shù)不斷發(fā)展，如室內(nèi)室外智慧照明在智能家居、智能建筑中的應(yīng)用。另一方面，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者中村修二認(rèn)為激光是照明的未來，他于2016年預(yù)測(cè)未來10年激光照明將替代LED照明。激光照明的體積更小、結(jié)構(gòu)更緊湊。除激光照明以外，激光顯示在電視、投影儀、汽車等多個(gè)領(lǐng)域，都將有更為廣闊的應(yīng)用，目前部分高檔轎車已經(jīng)將激光照明技術(shù)用于做前照燈。中村修二指出，目前激光照明價(jià)格還太高，但隨著成本的逐步降低，未來激光照明是一個(gè)大趨勢(shì)。

4.1.2 農(nóng)業(yè)照明

LED光源在農(nóng)業(yè)中將完全可以替代自然照明和傳統(tǒng)人工照明，在推進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)分散化、城市化、規(guī)?；⒆詣?dòng)化運(yùn)營(yíng)方面意義重大。LED光照條件對(duì)農(nóng)作物種苗、葉菜、果菜、菌藻等的生長(zhǎng)有重大影響，LED在畜牧業(yè)家禽養(yǎng)殖及繁育、水產(chǎn)養(yǎng)殖等方面也可提高產(chǎn)量。同時(shí)可完善防蟲害、消毒殺菌LED裝備并結(jié)合人工智能等智慧照明新技術(shù)形成一體化智能照明方案。目前該技術(shù)的瓶頸在對(duì)光照條件的系統(tǒng)研究不足，要求對(duì)各種農(nóng)作物、家禽、水產(chǎn)的適宜光譜條件、培養(yǎng)環(huán)境等有系統(tǒng)清晰的認(rèn)識(shí)，在補(bǔ)光燈設(shè)計(jì)上，要根據(jù)這些知識(shí)，進(jìn)行專門的優(yōu)化。無論從促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的角度，還是從節(jié)能環(huán)保的角度，LED應(yīng)用于農(nóng)業(yè)都是未來大勢(shì)所趨。 隨著中國(guó)農(nóng)業(yè)照明技術(shù)的不斷提升，其成本將會(huì)逐漸降低，而中國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)也為農(nóng)業(yè)照明提供了廣闊的發(fā)展空間。

4.1.3 可見光通信

隨著當(dāng)前LED燈的普及和成本的大幅降低，可見光通信逐漸興起。LED燈通過芯片的控制可以實(shí)現(xiàn)極快的頻閃，足以支撐比傳統(tǒng)光源更快的開關(guān)切換速度，而開關(guān)的切換意味著0和1的邏輯信息切換，即可以實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。該通信方式省去了傳統(tǒng)實(shí)體光纖的鋪設(shè)，可以節(jié)省成本；同時(shí)也避免了無線電、微波等電磁污染，更節(jié)能環(huán)保；而且隨著傳輸速率不斷提高，未來應(yīng)用體驗(yàn)可以超過WiFi信號(hào)。目前可見光通信還存在一些技術(shù)難題，例如上傳數(shù)據(jù)瓶頸、LED燈信號(hào)調(diào)制頻率、高速白光收發(fā)模塊、降低遠(yuǎn)距離通信誤碼率等，都需要進(jìn)一步提高。

4.2 GaN基功率電子器件

近年，GaN基電子器件受到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的共同關(guān)注，形成了新的研究熱點(diǎn)。AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料中極化電場(chǎng)誘導(dǎo)形成高密度二維電子氣(2DEG)，同時(shí)又具有高飽和電子漂移速度、高擊穿電場(chǎng)等優(yōu)越性質(zhì)，以其制備的高電子遷移率晶體管(HEMT)在軍事領(lǐng)域X波段雷達(dá)及民用通信方面有重大應(yīng)用。當(dāng)前，GaN基微波功率器件已在軍用雷達(dá)上取得了一系列突破性進(jìn)展，不久將在4G-5G移動(dòng)通訊基站上形成規(guī)?；瘧?yīng)用。目前的工作主要集中在提升器件可靠性、高頻特性等。GaN基電力電子器件在下一代高效高功率高速開關(guān)中優(yōu)勢(shì)明顯，相比于傳統(tǒng)Si基器件可大幅降低電力轉(zhuǎn)換中的能源損耗、提高工作頻率、縮小電源裝置的體積，其市場(chǎng)前景巨大，有望形成與半導(dǎo)體照明并駕齊驅(qū)的產(chǎn)業(yè)。Ⅲ族氮化物生產(chǎn)線如圖8所示。

圖8 Ⅲ族氮化物生產(chǎn)線一瞥

5 結(jié)語： 物理與工程結(jié)合的典范

以GaN為代表的Ⅲ族氮化物，是第三代半導(dǎo)體材料的主流，在藍(lán)光LED方面取得了巨大的成功，引發(fā)了照明、顯示等產(chǎn)業(yè)的技術(shù)革命，極大地改變了人們的生活。GaN的寬禁帶性質(zhì)使它在藍(lán)光、紫外等短波長(zhǎng)光電器件中具有本征的優(yōu)勢(shì)。GaN的LO聲子能量大，結(jié)合其較大的禁帶寬度可實(shí)現(xiàn)多種室溫和高溫工作器件。此外，GaN優(yōu)異的物理、化學(xué)性質(zhì)和強(qiáng)抗輻照性能，更使它在極端環(huán)境下享有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

GaN的短板在于晶體質(zhì)量較差，其位錯(cuò)密度比GaAs材料高4～5個(gè)數(shù)量級(jí)，盡管這樣的晶體質(zhì)量可以滿足高效發(fā)光器件的要求，但對(duì)其他器件往往是難以克服的關(guān)鍵障礙。例如對(duì)電子器件的可靠性、穩(wěn)定性方面有較大影響，在激光器中位錯(cuò)密度也依然是限制器件性能的關(guān)鍵，并且探測(cè)器中很多設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)無法在實(shí)驗(yàn)中完美展示。未來GaN的研究在發(fā)展完善藍(lán)寶石、硅襯底的同時(shí)，應(yīng)該會(huì)下大力氣投入在自支撐襯底等方面，為GaN材料的各種優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮掃清障礙。

材料物理的研究應(yīng)該以器件應(yīng)用為落腳點(diǎn)，GaN基的各種器件在工程中的廣泛應(yīng)用，為當(dāng)前諸多新型材料的研究提供了一種范式或參考，也開辟了宏大的發(fā)展空間。在過去短短20多年中，GaN材料已經(jīng)迅速得到學(xué)術(shù)界、工業(yè)界的深切關(guān)注，全世界先進(jìn)國(guó)家都投入大量的資源和研究工作，產(chǎn)業(yè)得到快速增長(zhǎng)，造就了很多著名的公司。工程的需求和問題促進(jìn)了材料物理的研究和澄清，反過來材料和器件物理的研究又快速促進(jìn)了LED等光電和電子產(chǎn)品性能的提高。以GaN為代表的Ⅲ族氮化物的成功， 堪稱物理與工程結(jié)合的典范，也正契合本刊 《物理與工程》的宗旨！

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THEPHYSICSANDENGINEERINGINⅢ-NITRIDESEMICONDUCTORS—A SUCCESSFUL MODEL OF COMBINATION OF BASIC RESEARCH AND COMMERCIALIZATION

RONGXin1LIShunfeng2GEWeikun1

(1Research Center for Wide Gap Semiconductor， Peking University， Beijing 100871;2Dongguan Institute of Opto-electronics， Peking University， Dongguan Guangdong 523808)

Represented by GaN, Ⅲ-Nitrides belong to a new group of wide-gap semiconductor materials, the so called “third generation semiconductors”. Comparing with traditional semiconductors, such as Ge, Si and Ⅲ-Ⅴ semiconductors, GaN has many superior properties, e.g. wide band-gap, high breakdown voltage, high physical and chemical stability. Although the crystal quality of GaN is worse than the “traditional” semiconductors, it didn’t pose big obstacles for the application of GaN-based systems in opto-electronic and electronic devices. GaN, as a new wide-gap semiconductor, is a successful model of combination of basic research and commercialization during the last few decades.

Ⅲ-Nitrides； light-emitting diode； semiconductor technology； commercialization； combination of physics and engineering

2017-07-29

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：61376060，61674010，61704003);廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：2014B090905002，2014A050503005)，東莞市國(guó)際合作項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：2013508102006)。

榮新，工程師，2016年獲北京大學(xué)博士學(xué)位，主要從事氮化物半導(dǎo)體材料的MBE生長(zhǎng)研究和物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)；李順峰，北京大學(xué)東莞光電研究院副院長(zhǎng)；江蘇華功第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院副院長(zhǎng)；博士，副研究員。1997年北京大學(xué)物理系本科；2005年德國(guó)Paderborn大學(xué)光電半導(dǎo)體博士。發(fā)表學(xué)術(shù)文章60篇；編寫英文論著1 部，申報(bào)和獲得美國(guó)、中國(guó)發(fā)明專利十余項(xiàng)。擔(dān)任Scientific Reports，Crystal Growth & Design，Appl. Phys. Lett.等多個(gè)優(yōu)秀學(xué)術(shù)期刊審稿人。中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì)第三代半導(dǎo)體專業(yè)委員會(huì)委員、第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟國(guó)際分委會(huì)GaN應(yīng)用組組長(zhǎng)；葛惟昆，香港科技大學(xué)榮休教授， 清華大學(xué)物理系教授。1965年畢業(yè)于北京大學(xué)物理系，1983年獲英國(guó)曼徹斯特大學(xué)博士學(xué)位。曾任中科院半導(dǎo)體研究所副所長(zhǎng)，美國(guó)達(dá)特茅斯學(xué)院副教授。專業(yè)方向?yàn)榘雽?dǎo)體物理學(xué)和自旋電子學(xué)，發(fā)表論文400余篇，被引用6500多次。著作、翻譯和主編書籍7部。

榮新，李順峰，葛惟昆. 第三代半導(dǎo)體Ⅲ族氮化物的物理與工程——從基礎(chǔ)物理到產(chǎn)業(yè)發(fā)展的典范[J]. 物理與工程，2017，27(6)：4-19.

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