这是一种带隙很大的半导体，属于所谓的宽带隙半导体。它是微波功率晶体管的优良材料，也是蓝光发射器件中具有重要应用价值的半导体。 　　

　　

　　GaN的研究和应用是目前全球半导体研究的前沿和热点，是发展微电子器件和光电子器件的新型半导体材料。GaN与SIC、金刚石等半导体材料一起被称为继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs和InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、良好的化学稳定性(几乎不被任何酸腐蚀)和强的抗辐射能力，在光电、高温大功率器件和高频微波器件的应用中具有广阔的前景。 　　

　　

　　GaN是一种非常稳定的化合物和坚硬的高熔点材料。其熔点约为1700。GaN具有高电离度，是III-V族化合物中最高的(0.5或0.43)。在大气压下，GaN晶体一般为六方纤锌矿结构。它的一个细胞中有四个原子，原子的体积大约是GaAs的一半。由于硬度高，也是很好的涂层保护材料。 　　

　　

　　化学特性在室温下，GaN不溶于水、酸和碱，但在热碱溶液中溶解非常慢。NaOH、H2SO4和H3PO4能快速腐蚀劣质GaN，可用于这些劣质GaN晶体的缺陷检测。在GaN HCL或H2气体中，它在高温下不稳定，但在N2气体中最稳定。 　　

　　

　　结构GaN有两种主要的晶体结构，即铅锌结构和闪锌矿结构。 　　

　　

　　 　　

　　

　　GaN材料系列具有低生热率和高击穿电场，是发展高温大功率电子器件和高频微波器件的重要材料。目前，随着MBE技术在GaN材料应用中的进展和关键薄膜生长技术的突破，已经成功生长出多种GaN异质结构。金属场效应晶体管(MESFET)、异质结场效应晶体管(HFET)和调制掺杂场效应晶体管(MODFET)等新器件已经由GaN制成。掺杂AlGaN/GaN结构具有高电子迁移率(2000 cm2/vs)、高饱和率(1107cm/s)和低介电常数，是制作微波器件的首选材料。GaN具有较宽的带隙(3.4eV)，以蓝宝石为衬底，散热性能好，有利于器件在高功率条件下工作。 　　

　　

　　光电器件GaN材料系列是一种理想的短波长发光器件材料，GaN及其合金的带隙覆盖了从红光到紫外的光谱范围。自1991年日本研制出同质结GaN蓝光LED以来，InGaN/AlGaN双异质结超亮蓝光LED和InGaN单量子阱GaNLED相继问世。目前，Zcd和6cd单量子阱GaN蓝绿光led已进入量产阶段，填补了多年来市场上蓝光led的空白。以光效为标志的LED发展史见图3。蓝光发光器件在高密度光盘的信息存取、全光学显示和激光打印机等领域有着巨大的应用市场。随着III族氮化物材料和器件研发的深入，GaInN超高蓝光和绿光LED技术已经商业化。现在，世界各地的各大公司和研究机构都投入巨资参与开发蓝色led的竞争。 　　

　　

　　1993年，Nichia公司首次研制出亮度高于lcd的高亮度GaInN/AlGaN异质结蓝光LED。以掺锌GaInN为活性层，外量子效率达到2.7%，峰值波长为450nm，产品已商品化。1995年，公司推出商用GaN绿色LED产品，光输出功率2.0mW，亮度6cd，峰值波长525nm，半峰宽40nm。最近，该公司利用其蓝色LED和磷光技术，推出了色温为6500K、效率为7.5流明/w的白光固态发光器件产品，除了日亚，惠普、科锐等公司也相继推出了自己的高亮度蓝色LED产品。预计高亮度LED市场将从1998年的3.86亿美元增长到2003年的10亿美元。这 　　

　　

　　三族氮化物蓝光LED研制成功后，研究的重点开始转向三族氮化物蓝光LED器件的研制。蓝光LED在光控测量和高密度光信息存储领域具有广阔的应用前景。目前日亚公司在GaN蓝光led领域处于世界领先地位，室温2mW连续工作寿命超过10000小时。惠普公司成功开发了以蓝宝石为衬底的折射率引导GaInN/AlGaN多量子阱蓝光LED。CreeResearch公司首先报道了在SiC上制作的CWRT蓝激光器，这种激光器是彩色的，水平的。 　　

　　

　　到设备结构。富士通继Nichia、CreeResearch、Sony等公司之后，宣布开发出InGaN蓝光激光器，可在室温下连续使用。它的结构生长在SiC衬底上，采用垂直导电结构(P型和N型接触分别制作在晶片的顶面和背面)。这是首次报道垂直器件结构的连续蓝光激光器。 　　

　　

　　在探测器方面，研制了波长为369nm的GaN紫外探测器，其响应速度与Si探测器相当。然而，这项研究仍处于起步阶段。GaN探测器在火焰探测、导弹预警等方面有着重要的应用。 　　

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应用前景对于GaN材料，长期以来由于衬底单晶没有解决，异质外延缺陷密度相当高，但是器件水平已可实用化。1994年日亚化学所制成1200mcd的 LED，1995年又制成Zcd蓝光(450nmLED)，绿光12cd(520nmLED);日本1998年制定一个采用宽禁带氮化物材料开发LED的 7年规划，其目标是到2005年研制密封在荧光管内、并能发出白色光的高能量紫外光LED，这种白色LED的功耗仅为白炽灯的1/8，是荧光灯的1/2, 其寿命是传统荧光灯的50倍~100倍。这证明GaN材料的研制工作已取相当成功，并进入了实用化阶段。InGaN系合金的生成，InGaN/AlGaN 双质结LED，InGaN单量子阱LED，InGaN多量子阱LED等相继开发成功。InGaNSQWLED6cd高亮度纯绿茶色、2cd高亮度蓝色 LED已制作出来，今后，与AlGaP、AlGaAs系红色LED组合形成亮亮度全色显示就可实现。这样三原色混成的白色光光源也打开新的应用领域,以高可靠、长寿命LED为特征的时代就会到来。日光灯和电灯泡都将会被LED所替代。LED将成为主导产品，GaN晶体管也将随材料生长和器件工艺的发展而迅猛发展，成为新一代高温度频大功率器件。

　　

缺点和问题

　　

一方面，在理论上由于其能带结构的关系，其中载流子的有效质量较大，输运性质较差，则低电场迁移率低，高频性能差。

　　

另一方面，现在用异质外延(以蓝宝石和SiC作为衬底)技术生长出的GaN单晶，还不太令人满意(这有碍于GaN器件的发展)，例如位错密度达到了108~1010/cm2(虽然蓝宝石和SiC与GaN的晶体结构相似，但仍然有比较大的晶格失配和热失配);未掺杂GaN的室温背景载流子(电子)浓度高达1017cm-3(可能与N空位、替位式Si、替位式O等有关)，并呈现出n型导电;虽然容易实现n型掺杂(掺Si可得到电子浓度1015~1020/cm3、室温迁移率>300 cm2/ V.s 的n型GaN)，但p型掺杂水平太低(主要是掺Mg)，所得空穴浓度只有1017~1018/cm3，迁移率<10cm2/V.s，掺杂效率只有0.1%~1%(可能是H的补偿和Mg的自身电离能较高所致)。

　　

优点与长处

　　

①禁带宽度大(3.4eV)，热导率高(1.3W/cm-K)，则工作温度高，击穿电压高，抗辐射能力强;

　　

②导带底在Γ点，而且与导带的其他能谷之间能量差大，则不易产生谷间散射，从而能得到很高的强场漂移速度(电子漂移速度不易饱和);

　　

③GaN易与AlN、InN等构成混晶，能制成各种异质结构，已经得到了低温下迁移率达到105cm2/Vs的2-DEG(因为2-DEG面密度较高，有效地屏蔽了光学声子散射、电离杂质散射和压电散射等因素);

　　

④晶格对称性比较低(为六方纤锌矿结构或四方亚稳的闪锌矿结构)，具有很强的压电性(非中心对称所致)和铁电性(沿六方c轴自发极化):在异质结界面附近产生很强的压电极化(极化电场达2MV/cm)和自发极化(极化电场达3MV/cm)，感生出极高密度的界面电荷，强烈调制了异质结的能带结构，加强了对2-DEG的二维空间限制，从而提高了2-DEG的面密度(在AlGaN/GaN异质结中可达到1013/cm2，这比AlGaAs/GaAs异质结中的高一个数量级)，这对器件工作很有意义。

　　

总之，从整体来看，GaN的优点弥补了其缺点，特别是通过异质结的作用，其有效输运性能并不亚于GaAs，而制作微波功率器件的效果(微波输出功率密度上)还往往要远优于现有的一切半导体材料。

　　

　　

主要问题

　　

因为GaN是宽禁带半导体，极性太大，则较难以通过高掺杂来获得较好的金属-半导体的欧姆接触，这是GaN器件制造中的一个难题，故GaN器件性能的好坏往往与欧姆接触的制作结果有关。现在比较好的一种解决办法就是采用异质结，首先让禁带宽度逐渐过渡到较小一些，然后再采用高掺杂来实现欧姆接触，但这种工艺较复杂。总之，欧姆接触是GaN器件制造中需要很好解决的一个主要问题。

　　

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