PDF《GaN 中的缺陷与杂质》

第21 卷第1期物理学进展Vol.

21 ,No.

1 2001 年3月PROGRESS IN PHYSICS Mar. ,2001 文章编号 :1000Ο

0542 (2001) 01Ο 0001Ο

11 收稿日期 :2000Ο 06Ο

10 ;

修收日期 :2000Ο 09Ο

15 基金项目 :香港政府科学基金资助项目.中国科大归国人员基金和中国博士后基金委奖励基金资助项 目(中博基(1999) No. 17) GaN 中的缺陷与杂质 许小亮 施朝淑 (中国科学技术大学物理系 ,合肥 230026) S. Fung C. D. Beling (香港大学物理系 ,香港) 摘要:GaN 是一种新型的宽禁带半导体兰色发光与激光材料.GaN 中的缺陷和杂质对 于材料的电学输运特性和发光性能有着至关重要的影响.本文综述了近年来对于 GaN 中缺 陷和杂质的理论与实验研究.包括对天然缺陷与非特意性掺杂的研究 ,以及对离子注入所产 生的缺陷与深能级的研究. 关键词 : GaN ;

缺陷 ;

杂质 ;

深能级 中图分类号 : TN304.

2 +

3 ;

O474 ;

O484 文献标识码 : A

0 引言尽管 J uza 和Hahn 早在

1938 年就利用氨气通过热的镓金属生长出了微针类状的 GaN[1 ] ,但直到

1969 年才由 Maruska 和Tietjne 利用化学气相沉积 (CVD) 技术在蓝宝石 衬底上生长出了较大面积的 GaN 薄膜[2 ] .由此对 GaN 的应用研究在

1970 年代初期出 现了一个小小的热潮.首先由 Pankove 等到人

1972 年利用 Zn 掺杂 GaN ,研制了第一只 兰光发光二极管(L ED) [3 ] ,这种二极管是 MΟ iΟ n (M :金属 ,i :绝缘体 ,n :n 型GaN) 结构 ,随 着发光区域掺杂浓度的改变而发出绿、 黄和红等不同颜色的光[4 ] .Maruska 等于

1973 年 利用 Mg 掺杂研制了类似的可以发出紫光的 MΟ iΟ n 结构[5 ] .但这类结构的 L ED 发光量 子效率很差 ,原因是一直没有找到行之有效的方法实现 p 型GaN ,因而就不能长出高质 量的 pΟ n 结 ,这一问题使得人们对 GaN 薄膜作为激光二极管的开发前景持消极态度.直至1988 年Akasaki 等人应用低能电子束照射 Mg 掺杂的 GaN ,被照射区域神奇地由 n 型 转变为 p 型 ,第一个 pΟ n 结的诞生使得发光效率大大提高[6 ] .从理论上来说 ,Mg 对于 GaN 是属于受主杂质 ,但由于生长过程中使用的氨气分解 ,大量的氢在 GaN 中与 Mg 形成MgΟHx 复合体 ,从而使 Mg 受主的活性钝化 ,不解决钝化问题就不能实现反型.电子 束的作用正是使 MgΟ Hx 复合体分解从而激活 Mg[7 ] .1990 年代初期 ,中村小组采用 N2 气氛中退火方法 ,同样可以激活 Mg[8 ] .至1995 年 ,中村小组在研制开发高亮度的 GaN 基兰光和激光 L EDs 方面取得重大进展[9 ,10 ] ,这一成功使得对 GaN 和GaN 基化合物的研 究成了宽禁带半导体激光器件研究的国际新热点. 多年来 ,人们对于 GaN 的研究主要在半导体设计(比如半导体激光器件) 及其物理特 性(如结构以及电学、 光学特性) .如欲详细了解这些研究的基本情况 ,读者可以参阅几篇 杰出的综述文章[11~13 ] . 尽管很早人们就开始研究 GaN 中的缺陷和杂质特性 ,但从理论的角度来看 ,直到

1994 年 ,研究者们对于这些缺陷的形成能 ,几何形貌以及电学结构还没有一个完备的知 识(如 ,见 Neugebaur 和Van de Walle ,1994[14 ] ,1997[15 ] ) ― ― ― 而对于缺陷性质的深化了 解 ,正是通过对这几个方面的深入研究得到体现的.鉴于这个原因 ,我们感到有必要将近 年来对于 GaN 中缺陷和杂质的理论与实验研究作一综述 ,它分为以下几个方面 : (1) 天然缺陷与非特意性掺杂.包括