1、GaN最新研究与应用,张翔宇 沈鑫磊 袁禹亮 田新斌,目录,1.简介GaN,禁带宽度大、热导率大、介电常数小、饱和电子漂移速度高、击穿电场强度高、高抗辐射能力等特点。禁带宽度3.4eV，存在很强的原子键，是极稳定的化合物。三种属于不同晶系的结构：六方纤锌矿结构、立方闪锌矿结构以及立方盐矿结构。,2.GaN HEMT,这种器件及其集成电路都能够工作于超高频（毫米波）、超高速领域，原因就在于它是利用具有很高迁移率的所谓二维电子气来工作的。,2.1简介HEMT,HEMT，高电子迁移率晶体管是一种异质结场效应晶体管，又称为调制掺杂场效应晶体管（MODFET）、二维电子气场效应晶体管（2-DEGFET）
2、、选择掺杂异质结晶体管 (SDHT)等。,2.2 GaN HEMT结构,高电子迁移率 大电流 适用于低压工作 可制作成纳米栅毫米波器件,优势：,2.3 耗尽型 HEMT,耗尽型HEMT 研究开展较早，早在1994 年，M.A.Khan 等人报道了栅长0. 25 um 的GaN HEMT，截止频率( fT) 和最大振荡频率( fmax)分别达到11 GHz 和35 GHz 。,PS：对于GaN体系的HEMT，通常在Vg =0 时就存在有2-DEG的器件为耗尽型器件，反之则为增强型器件。,Yuanzheng Yue等人利用金属有机物化学气相沉积的方法，成功制备出不含背势垒层，栅长为30nm的InA
3、lN/AlN/GaN/SiC HEMT器件， fT打破了之前的记录，达到了370 GHz。,掺Fe,2.4 增强型HEMT,增强型器件能够简化电路设计，主要应用于高速数模电路。但是AIGaN/GaN 异质结构而言，由于界面有大量电荷存在，天然形成的是耗尽型器件，增强型器件一直到1996 年，才由M.Khan 等人报道了第一只增强型器件。,3.GaN 激光器,1917年，爱因斯坦建立了“受激辐射”的理论。,1951年，美国物理学家珀塞尔和庞德在实验中成功地造成了粒子数反转，并获得了每秒50千赫的受激辐射。,1958年，汤斯和肖洛提出激光原理，汤斯和肖洛因此被认为是激光的发明者，汤斯也由此获得了1
4、964年的诺贝尔物理学奖。,1960年5月，美国科学家梅曼做出了世界上第一台红宝石激光器。,1962年，美国通用电气试验室的工程师哈尔研制出了砷化镓材料的半导体激光器，可以发射出波长为850nm的近红外激光。,3.1 激光器的发展历程,19世纪70年代观察到GaN晶体的光泵浦受激发射。此后，探索MOCVD工艺以促进高质量的GaN。 1989年，p型GaN的获得促使GaN激光器朝向商业化发展。,该激光器的优点： 唯一实现了p型和n型掺杂、长寿命工作并且商业化 短波发光可用于光存储提高存储密度 高光谱纯度和发光效率 高纯度蓝光可与红光、黄光组合获得可见光光谱中90%的颜色,3.2 紫外激光器,Ga
5、N-AlN系统结构可以获得几乎整个紫外区域的光谱，由于半导体激光器本身具有成本较低、易操作、稳定性强等优点，因而很有可能取代传统的气体和固体紫外激光器。,GaN基紫外激光器的研究,2007年，Yoshida 等制备了336nm波长的激光器，阈值电流密度为17kA/cm2。 2008年，Yoshida 等制备了342nm波长的激光器，阈值电流密度为8kA/cm2。 2011年，Banal等制备了基于AlGaN/AlN量子阱的波长在247nm，内量子效率为69%的紫外激光器。,AlGaN MQW UV laser diode.,Yoshida H. et al. Nature Photonics.
6、 2008, 2(9): 551-554.,2008年，Yoshida H等采用AlGaN的多量子阱结构制备得到了紫外光的激光器,Kneissl M, Yang Z H, Teepe M, et al. JOURNAL OF APPLIED PHYSICS. 2007, 101(12310312).,InAlGaN heterostructure for a UV laser diode,2007年，Kneissl等采用InGaN的多量子阱结构制备得到了紫外光的激光器,3.3 具体应用实例,高密度存储,作为新一代存储介质，蓝光存储拥有比红光存储更大的存储量，更方便信息存储。 相比于磁存储，光存
7、储介质的信息不易丢失。,利用高光谱纯度和发光效率，应用于电视机光源、投影仪以及微投影仪,4.GaN应用于LED,4.1 GaN LED 的发展历史与现状,4.2 InGaN/GaN量子点/纳米线结构的LED,内量子效率高的原因： 量子点嵌入纳米线的异质结结构 GaN纳米结构几乎无缺陷，无应力 p型掺杂，空穴迁移率高,内量子效率达到56.8%,H. P. T. Nguyen et. al., Nano Lett. 2011, 11, 19191924,4.3 柔性防水GaN LED,采用计算机辅助工艺设计 GaN LED转移到高分子基底前后的场致发光图谱 看出：峰有微弱迁移，依然发蓝光,Sang
8、 Yong Lee, Kwi-Il Park et al. Nano Energy (2012) 1, 145151,a显示不同弯曲强度下，光学、电学性能均保持稳定 b图疲劳测试，弯曲高达2000次的条件下，依然保持电学性能稳定,Sang Yong Lee, Kwi-Il Park et al. Nano Energy (2012) 1, 145151,GaN LED柔性证明,器件基础上加了荧光粉， 形成白光,存在两个峰，分别为440nm以及540nm 随着电流的增大0.1mA-1.0mA，峰变高,Sang Yong Lee, Kwi-Il Park et al. Nano Energy (2012) 1, 145151,白光柔性GaN LED,4.4 应用于医学生物领域,器件组成： 柔性GaN LED+ 场致发光探测器+ 反应芯片,H. P. T. Nguyen et. al., Nano Lett. 2011, 11, 19191924,Thank You !,
