【中文摘要】 GaN在 (0 0 0 1)方向是一种极性极强的半导体材料 ,它具有极强的表面特征 ,是目前发现的最好的压电材料 ,而GaN的极性呈现出体材料的特征 ,它的测量要用一些特殊的方法 ,它的不同特征也给我们提供了广泛的应用前景。总结了到目前为止国外这一方面的研究结果 
【英文摘要】 GaN is a kind of material with very strong polarity. It offers different characteristics for different polarity GaN.For example, it is the best piezoelectric material ever discovered.The polarity of GaN exhibits the characteristic of bulk materials.Some special measuring methods are used to characterize the polarity.The polarity characteristics,and its measurement and application of GaN are reviewed in this paper

刘宝林

Xiamen University Institutional Repository

收稿日期 :2001 - 12 - 26. 　　　　　材料研究Ga N的极性特征、测量及应用刘宝林(厦门大学 物理系 ,福建 厦门 361005)摘 　要 : 　GaN 在 (0001)方向是一种极性极强的半导体材料 ,它具有极强的表面特征 ,是目前发现的最好的压电材料 ,而 GaN 的极性呈现出体材料的特征 ,它的测量要用一些特殊的方法 ,它的不同特征也给我们提供了广泛的应用前景。总结了到目前为止国外这一方面的研究结果。关键词 : 　GaN ; 极性 ; 测量中图分类号 : TN304. 23 　　文献标识码 : A 　文章编号 : 1001 - 5868 (2002) 02 - 0118 - 04Ga N Polarity and Its Measurement and ApplicationLIU Bao2lin( Department of Physics , Xiamen University , Xiamen 361005 , CHN)Abstract :　GaN is a kind of material with very strong polarity. It offers different characteristics fordifferent polarity GaN. For example , it is the best piezoelectric material ever discovered. The polarity of GaNexhibits the characteristic of bulk materials. Some special measuring methods are used to characterize thepolarity. The polarity characteristics ,and its measurement and application of GaN are reviewed in this paper.Key words :　GaN ; polarity ; measurement1 　引言GaN 基材料由于其较宽的带隙 ,具有特殊的物理和化学性质 ,最近几年由于材料生长技术的突破而受到学术和产业界的广泛重视。GaN 基材料属于Ⅲ2Ⅴ族半导体 ,有许多与传统的 Ⅲ2Ⅴ族半导体相似的性质 ,但由于它与我们常用的 GaAs 基和 InP 基等材料的闪锌矿结构不同[1 ] ,它既具有闪锌矿结构又具有纤锌矿结构。纤锌矿结构的 GaN 与传统的Ⅲ2Ⅴ族半导体材料有许多不同之处 ,其中一个最重要的不同就是纤锌矿结构的 GaN (0001) 方向是有极性的 ,而传统的 Ⅲ2Ⅴ族半导体在 (0001) 方向是无极性的。极性在 GaN 材料的生长及应用中起着重要的作用 ,本文主要讨论了纤锌矿 GaN 材料的极性问题。首先给出了极性的定义 ,因为它的定义决定着它的测量和应用。其次给出了测量方法 ,最后给出了极性的特性和应用。2 　极性的定义在研究 GaN 的极性之前 ,首先必须了解 GaN 的极性是怎么定义的。图 1 给出了 GaN 纤锌矿结构沿[ 0001 ]方向的结构图[2 ] ,它的空间群是 C46v ,它的堆栈顺序是 GaANA GaBNB GaANB GaANB ,从中可以看出 ,在 GaN 结构中 ,每一个 Ga 或者 N 都与四个 N 或者 Ga 原子相连 ,由于 Ga 和 N 原子的电荷不相等 ,而结构在[0001 ]方向没有对称面 ,任何晶体结构的改变都会在体材料中产生极强的电场 ,因此 GaN 及其化合在[0001 ]方向是有极性的。GaN 的极性可以用 (0001) ,Ga 面 , + c ,Ga 极性或 Ga 极面五个等价的名称来表示一个方向 ,而另一个方向则用 (0001) ,N面 , - c ,N 极性或 N 极面来表示[3 ] 。对于 Ga 极面 ,Ga 原子是一个键朝上而三个键朝下 ,N 原子则相反 ,三个键朝上而一个键朝下 ;N 极面与 Ga 极面相·811·SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONICS　Vol. 23 No. 2 April ,2002比 ,只不过是 Ga 和 N 原子对换了位置 ,而结构完全相同。图 1 　GaN 纤锌矿结构沿[0001 ]方向的原子排列结构图由于 Al2O3 衬底材料是没有极性的 ,而 GaN 是有极性的 ,具有极性的 GaN 材料生长在没有极性的Al2O3 衬底上 ,两种极性都可能出现。3 　如何测量 h2GaN 中的 c 轴方向的极性从极性的定义可以看出 ,极性是体材料的性质 ,而不是材料表面的性质 ,因为可能由于多种原因某种原子在表面富集 ,可是它并不改变材料的极性 ,另外 ,在 Ga 和 N 极性材料中 , GaN 的原子位置的变换就会导致材料极性的转变。测量极性时不仅要知道晶体的结构或者是表面的原子 ,而且要知道原子堆栈顺序或者具体原子键的方向 ,即必须区分具体原子和位置 ,这就给极性的测量带来了一定的困难。除了直接测量之外 ,极性也可以由它们的性质来判断 ,目前有许多方法可用来测量 GaN 中的极性[4 ] :(1) 同轴撞击碰撞离子散射谱 (CAICISS) ; (2) 卢瑟福背散射谱 (RBS) ; (3) X 射线测量 ; (4) 透射电子显微镜 ( TEM) 测量 ; (5) 化学的方法 ; (6) 表面重构。3. 1 　CAICISS目前有多个小组用这种方法来研究和确定宽带隙材料的极性 ,最早 M. Sumiya[5 ]利用这一方法来检测 GaN/ Al2O3的极性和 T. Ohnishi 用这一方法来检测ZnO/ Al2O3 的极性[6 ] ,其测量原理和结果如图 2 所示 ,图 2 (a)是测量原理图 , (b) 是测量结果。实验利用 100 kHz 2 keV 加速的 He + 离子束作源 ,在 3 ×10 - 7 Pa 的超高真空下进行。测量时 He + 离子束被聚焦成直径为 3 mm ,用微通道面板测量背散射的离子和中子及其飞行时间 ( TOF) 谱。由于 Ga 和 N 原子的散射截面是不同的 , He 和 Ga 原子的碰撞信号峰值能量位置与 He 和 N 碰撞信号峰值强度是不同的 ,因此 Ga 和 N 原子是可以区分的。随着入射角度 (α)的改变和阴影效应 ,信号的强度就随着信号入射角度改变而发生变化 ,因此就可以测出原子的相对位置。从图 2 (b) 可看出 , Ga 极性与 N 极性样品的测量结果是明显不同的 ,通过与标准样品或者与测量设备附带的计算程序的计算结果比较就可以知道样品的极性。他们的结论是 :样品表面光亮的是 Ga 极性 ,而金字塔型粗糙的是 N 极性。图 2 　利用 CAICISS测量 ZnO 的极性原理图和结果3. 2 　RBSM. Daudin 等人[7 ]报道了用 RBS 离子通道技术研究 GaN 的极性。他们用 2 MeV He + 离子作探针 ,样品保持在液氮温度 ,探测角度选择在 165°并倾斜5°,如图 3 所示。RBS 测量时散射强度依赖于测量原子的质量 ,由于 N 原子的质量小 ,只有 Ga 原子的背散射的信号可以观测到。对于 Ga 面样品 ,当+ψi > - ψi 意味着离子首先遇到 Ga 原子 ,当 - ψi> + ψi意味着离子首先遇到N原子。他们发现表图 3 　RBS测量 GaN 极性原理图·911·《半导体光电》2002 年第 23 卷第 2 期 刘宝林 : 　GaN 的极性特征、测量及应用面光亮的样品为 Ga 面样品极性。3. 3 　X射线由图 1 我们知道 X 射线摇摆曲线和 X 射线光电子光谱 ( XPS) 是不适合于测量极性的 ,因为它们只能测量晶体的结构 ,不能区分 Ga ,N 原子和测量原子的堆栈顺序 ,早期极性研究用这一方法经常给出不正确的结果。但最近几年发展起来的半球扫描X射线光电子衍射 ( HSXPD) 方法却可以用来准确地分析极性[8 ] 。因为这一方法从周围原子发出的光电子的能谱开始分析 ,不同的原子内层能级发射的光电子是不同的 ,这样就可以区分出 Ga 和 N 原子。这一方法不是只测量单一角度 ,而是在样品的上半球上进行扫描 ,用 X 射线测量原子内层能级的光电子发射 ,正像 CAICISS 测量一样 ,当样品倾斜时 ,就可以探测到不同原子面的原子发出的光电子谱 ,从而分析出原子的相对位置 ,通过比较实验得到的光电子衍射模式与理论计算的结果就可以知道样品的极性。这一方法不仅测量了表面的原子发射 ,而且测量了低于表面的原子面的原子的发射 ,它是表面不怎么敏感的测量方法。这一方法使用 Al Kα线作为 X射线源 ,单独分析从数据 Ga3d和 N1s能态发出的光电子。图 4 给出了他们的测量结果。样品是用MOCVD生长方法得到的 GaN/ Al2O3 ,粗糙的样品表面在测量前用 KOH 溶液机械化学抛光。实验发现原来样品表面光亮的是 Ga 极性 ,而粗糙的是 N 极性。图 4 　两个不同极性 GaN 样品的 HSXPD 谱 , (a) 光亮样品的Ga3d光电子谱 , (b)粗糙样品的 Ga3d光电子谱 , (c) 光亮样品的 N1s光电子谱 , (d)粗糙样品的 N1s光电子谱3. 4 　化学方法J .L. Weyher 等人[9 ]研究了用 KOH 和 NaOH 碱性溶液腐蚀 MOCVD 生长的 GaN/ Al2O3膜。他们发现六角型粗糙表面样品在强碱中比表面光亮的样品更容易腐蚀。因为在强碱中存在有大量的 OH - 离子 ,由于生长在 Al2O3 衬底上的 GaN 总是存在一定的应力极化电场 ,引起样品表面富集大量的电荷。在 N 极性表面为正电荷 ,对 OH - 离子是相吸的 ,它在表面发生 2GaN + 6OH - = 2Ga (OH) 3 + N2化学反应 ,使表面的 GaN 被腐蚀掉。而在 Ga 极性表面为负电荷 ,对 OH - 离子是排斥的 , GaN 不能被腐蚀或者腐蚀很慢。通过自发极化场分析可知 ,样品表面光亮的是 Ga 极性 ,而粗糙的是 N 极性。3. 5 　TEM有两种 TEM 方法来测量 GaN 的极性 :普通 TEM和聚焦电子束显微镜 (CBED) 。TEM 可以研究界面原子的键长分布 ,但由于这种方法不能区分 GaN 原子 ,虽然在文献[10 ]中研究 GaN 极性是用这种方法测量的 ,但在 1998 年以前 ,用这一方法给出的结果经常是错误的[4 ] 。3. 6 　表面重构反射高能电子衍射 ( RHEED) 是分子束外延设备最常用的在位监测仪器 ,由于不同极性 GaN 材料的表面能量是不同的 ,在样品生长表面的原子重构也将不同。RHEED 在 GaN MBE 生长过程中 ,它也可以用来在位监测 GaN 的极性 ,不过 ,它首先要有标准样品或方法来辅助测量生长后的样品 ,因此 ,表面重构也可以作为样品生长时的检测方式之一。A. R. Smith[10 ]仔细研究了不同极性样品在生长过程中的表面重构 ,他们发现 1X ,2X重构为 Ga 极性 ,而3X重构是 N 极性。4 　极性如何影响 GaN/ Al2O3 的性质从上面的讨论我们可以看出 ,GaN 的 Ga 极性和N 极性材料的性质是不同的 ,如外延生长的 Ga 极性材料表面是光亮的 ,而 N 极性的表面是具有金字塔型粗糙的。由于极性的存在 ,在 Ga 极性材料中具有极 强 的 电 场 存 在 , 它 的 强 度 可 以 达 到5. 5 MV·cm - 1 [12 ] ,它的方向是由 N 指向 Ga ,因此 Ga极性材料中表面带有负电荷而 N 极性样品表面带有正电荷 ,所以 N 极性材料在强酸强碱中很容易被腐蚀 ,而 Ga 极性材料却是抗腐蚀的。在 Ga 极性的材料中缺陷主要是位错和由于柱状颗粒间的不一致性形成的纳米管 ,在 N 极性材料中除了 Ga 极性材料中的这两种缺陷外还有反畴 ,存在有 Ga 极性的颗粒。另外 ,Ga 极性的材料是相对热稳定的 ,而 N 极性则相对在高温下不稳定。它们的具体性能比较列·021·SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONICS　Vol. 23 No. 2 April ,2002于表 1 中。表 1 　Ga N/ Al2O3 极性对材料性质的影响　 Ga 极性 N 极性表面形貌 光亮 粗糙的金字塔型在强酸强碱中腐蚀 抗腐蚀 容易腐蚀(200～250 ℃) 　 　主要缺陷 位错和纳米管小的反畴 、位错和纳米管在 1 000 ℃的热分解N2 环境 没有改变H2 环境 没有改变N2 环境 没有改变H2 环境 　Ga 点表面电荷 负 正表面重构 1X , 2X 3X5 　极性的应用5. 1 　热电和压电效应由于 GaN 极性的存在 ,任何晶体结构变化 ,都会引起极化电场。M. S. Shur[13 ] 研究了热源影响GaN材料的温度 ,从而引起自发极化电场 ,在 GaN材料表面会产生电荷。他们发现 GaN 中沿 c 轴方向热电系数 Pν高达 7 ×105 V/ (m·K) ,超过目前最好的热电材料LiTaO3[5 ×105V/ (m·K) ]的 。并且 GaN材料可以在高温工作 ,是理想的高温热电材料。由于热电常数和压电常数是相关的 ,它也是很好的高温压电材料。5. 2 　二维电子气在传统的 GaAs 基异质结场效应晶体管 ( FET)中 ,二维电子气是由在宽带的势垒区重掺杂或者有源区掺杂来获得。但在 AlGaN/ GaN 异质结中 ,由于存在很强的自发极化电场和压电效应 ,不用掺杂 ,就可以在异质结界面上形成一个三角型势垒和很高的电子浓度 ,这一技术叫“压电掺杂”,它避免了由于传统掺杂引起的缺陷[14 ] 。由于压电效应而引起的电子面浓度高达 3 ×1013 cm - 2。压电效应引起的二维电子气 ,它也影响着二维电子气的输运特性 ,不同的极性材料会在不同的位置形成三角型势垒。Ga 面材料的三角型势垒将在 AlGaN/ GaN 界面形成 ,而 N面材料将在 InGaN/ GaN 界面形成 ,如图 5 所示。5. 3 　高速开关应力引起的电场使电子和空穴在量子阱中产生空间分离。使最低导带电子和最高价带空穴的光跃迁矩阵元大大减小 ,而这一应力引起的电场又可以通过外电场来调整。利用这一特性可以实现高速光调制器或者高速光开关[15 ] 。图 5 　Ga 面 GaN 异质结和量子阱能带图参考文献 :[1 ] 　Nakamura S , Fasol G . The blue laser diode 2 GaNbased light emitters and lasers [ M] . Heidelberg : Springer -Verlag ,1997.[2 ] 　Sumiya M , Ohnishi T , Tanaka M . Control of thepolarity and surface morphology of GaN films deposited on c2plane sapphire[J ] . MRS Internet J . Nitride Semicond. ,1999 ,Res. G6 ,23.[3 ] 　The MIJ 2 NSR recommendations for polaritynomenclature [ EB/ OL ] . http :/ / nsr. mij. mrs. org/ info/diktats. html.[4 ] 　Hellman E S . The polarity of GaN : a critical review[J ] . MRS Internet J . Nitride Semicond. ,1998 ,Res. 3 ,11.[5 ] 　Sumiya M , Tanaka M , Ohtsuka K , et al . Analysis of thepolar direction of GaN film growth film growth by coaxialimpact ion scattering spectroscopy [ J ] . Appl. Phys. Lett. ,1999 ,75(3) :674 - 676.[6 ] 　Ohnishi T , Ohtomo A , Kawasaki M , et al .Determination of surface polarity of c2axis oriented ZnO filmsby coaxial impact2collision ion scattering spectroscopy [J ] .Appl. Phys.Lett. ,1998 ,72(7) :824 - 826.[7 ] 　Daudin B , Rouviere J L , Arlery M . Polaritydetermination of GaN films by ion channeling and convergentbeam electron diffraction [ J ] . Appl. Phys. Lett. , 1996 , 69(17) :2 480 - 2 482.[8 ] 　Seelmann E M , Weyher J L , Obloh H , et al . Polarity of(00. 1) GaN epilayers grown on a (00. 1) sapphire[J ] . Appl.Phys.Lett. ,1997 ,71(18) :2 635 - 2 637.(下转第 124 页)·121·《半导体光电》2002 年第 23 卷第 2 期 刘宝林 : 　GaN 的极性特征、测量及应用绝对值有最小值 ,其值为 - 0. 80 V。图 4 　氧等离子体射频功率对 poly2SiO2/ Si 结构平带电压的影响4 　结论我们的实验结果表明 :氧等离子体处理聚硅烷涂层可以制备质量较好的 SiO2 薄膜。选择适当的氧等离子体处理条件 ,poly2SiO2 / Si结构可获得较佳的平带电压值。参考文献 :[1 ] 　Pliskin W A . Advances in deposition processes forpassivation[J ] . J . Vac. Sci. Technol. ,1977 ,14(5) :1 064.[2 ] 　傅鹤鉴 ,谢茂浓 . 聚硅烷在准分子激光作用下光降解及亚微米光刻研究 [J ] . 四川大学学报 (自然) ,1997 ,34(4) :489.[3 ] 　谢茂浓 ,傅鹤鉴 . 聚硅烷 (紫外光敏材料) 的等离子体处理特性[J ] .半导体学报 ,1999 ,20(6) :525.[4 ] 　厦门大学物理系半导体物理教研室 . 半导体器件工艺原理[M] .第二版 . 北京 :人民教育出版社 ,1979. 395.作者简介 :向少华 (1972 - ) ,男 ,苗族 ,2000年毕业于四川大学物理系凝聚态物理专业 ,获理学硕士学位 ,现主要从事半导体材料与器件的研究工作。(上接第 121 页)[9 ] 　Weyher J L , Müller S , Grzegory I , et al . Chemicalpolishing of bulk and epitaxial GaN [J ] . J . Cryst. Growth ,1997 ,182(1) :17 - 22.[10 ] 　Ponce F A , Van de Walle C G , Northrup J E . Atomicarrangement at the AlN/ SiC interface [J ] . Physical ReviewB ,1996 ,53(11) :7 473 - 7 478.[11 ] 　Smith A R , Feenstra R M , Greve D W , et al .Reconstructions of the GaN (0001) surface [J ] . PhysicalReview Letters ,1997 ,79(20) :3 934 - 3 937.[12 ] 　Widmanna F , Simona J , Pelekanosa N T . Giantpiezoelectric effect in GaN self2assembled quantum dots[J ] .Microelectronics Journal ,1999 ,30 :353 - 356.[13 ] 　Shur M S , Bykhovski A D , Gaska R . Pyroelectricand piezoelectric properties of GaN2based materials [ J ] .MRS Internet J . Nitride Semicond. ,1999 ,Res. 4S1. G1 ,6[14 ] 　Dimitrov R , Murphy M , Smart J , et al . Two 2dimensional electron gases in Ga2face and N2faceAlGaN / GaN heterostructures grown by plasma 2induced molecular beam epitaxy and metalorganic chemicalvapor deposition on sapphire[J ] . J . of Appl. Phys. ,2000 ,87(7) :3 375 - 3 380.[15 ] 　Simin G , Hu X , Ilinskaya N , et al . 7 . 5 kW / mm2current switch using AlGaN/ GaN metal2oxide2semiconductorheterostructure field effect transistors on SiC substrates[J ] .Electronics Letters ,2000 ,36(24) :2 043 - 2 044.作者简介 :刘宝林 (1963 - ) ,男 ,江西人 ,副教授 ,1984 年于中山大学物理系获学士学位 ,1987 年于电子部十三所获硕士学位 ,1993 年毕业于吉林大学电子工程系 ,获博士学位 ,1999 年 10 月至 2001 年 9 月在日本千叶大学 VBL 实验室做访问研究 ,目前主要从事 MOCVD 材料生长和光纤通信及宽禁带光电器件的研究。E2mail :blliu @xmu. edu. cn·421·SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONICS　Vol. 23 No. 2 April ,2002

GaN Polarity and Its Measurement and Application

http://dspace.xmu.edu.cn/bitstream/handle/2288/7622/GaN%e7%9a%84%e6%9e%81%e6%80%a7%e7%89%b9%e5%be%81_%e6%b5%8b%e9%87%8f%e5%8f%8a%e5%ba%94%e7%94%a8.pdf?sequence=1&isAllowed=y

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