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InN材料的电学特性



InN材料在光电子领域有着非常重要的应用价值,InN是性能优良的半导体材料。InN的禁带宽度也许是0.7eV左右,而不是先前普遍接受的1.9eV,所以通过调节合金组分可以获得从0.6eV(InN)到6.2eV(AlN)的连续可调直接带隙,这样利用单一体系的材料就可以制备覆盖从近红外到深紫外光谱范围的光电组件。因此,InN有望成为长波长半导体光电器件、全彩显示、高效率太阳能电池的优良半导体材料。

 

一、制造InN薄膜目前存在的难题

 

制备高质量的InN体单晶材料和外延薄膜单晶材料是研究和开发InN材料应用的前提。但是,制造InN薄膜有两大困难。

 

一是InN材料的离解温度较低,在600 ℃左右就分解了,这就要求在低温生长下InN ,而作为氮源的NH3的分解温度较高,要求1000℃左右,这是InN生长的一对矛盾,因此采用一般的方法很难制备单晶体材料,目前制造InN薄膜最常用的方法是MBE、HVPE、磁控溅射、MOCVD技术。

 

二是很难找到合适的衬底,由于InN单晶非常难获得,所以必须得异质外延InN薄膜,这就很难避免晶格匹配这个大问题。一般都是在蓝宝石衬底上先生长氮化物的缓冲层,然后再异质外延InN薄膜,研究显示,GaN缓冲层上生长的InN薄膜比较理想。MBE技术生长可以精确控制晶圆膜厚度,得到优良的晶圆材料,但生长的速度较慢,对于较厚要求的晶圆生长耗时过长,不能满足大规模生产的要求。

 

对于光电器件,特别是LED、LD芯片,一般都采用用MOCVD技术。这是因为MOCVD技术是以In有机源为金属源,以N2作为载气,NH3作为氮源,通过二步制程或其它手段在低温500℃左右进行InN生长。MOCVD的生长速度适中,可以比较精确地控制外延薄膜厚度,特别适合于光电器件的大规模工业生产。

 

二、InN材料的电学特性

 

对InN材料最为关注的就是其带隙问题,到现在还有很多疑问没有解决。虽然现在很多人都认为其带隙为0.6-0.9eV,但也有人认为InN的带隙也许比这个值稍大一些:1.25–1.30 eV 。持较大带隙观点的认为带隙为0.6-0.7eV的这些样品中也许含有深的缺陷能级,认为InN中存在深能级缺陷,大约是0.5eV,这样一来0.7eV正好对应的是1.25-1.30eV。持低能带隙的认为测得较高带隙的样品是由于掺入杂质、Moss-Burstein效应,或是其它因素造成的。氧掺杂对InN带隙的影响,通过掺入不同的氧杂质,得到了带隙从0.7-2.0连续变化的禁带,说明氧是造成带隙变宽的一个因素。

 

InN材料的另一个重要问题是InN都呈现出很强的n型电导特征,这与GaN有些相似,但在InN中这个问题更加严重。InN的费米稳定能级EB在导带里面,这就意味着在InN中即使电子浓度升高,费米能级增大,也很难形成p型的本征补偿缺陷,这就使得电子饱和浓度变得非常大,理论计算表明[29]其饱和电子浓度NS接近1021cm-3。

 

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