国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班 - 中国科学院物理 ...

国家自然科学基金委员会 

数理学部实验物理讲习班 

宽禁带半导体 

张国义 

北京大学物理学院 

人工微结构和介观物理 

国家重点实验室 

北京大学宽禁带半导体研究中心



参考书 

• Properties of Group III Nitrides, Edited by James H. 

Edgar, EMIS Datareviews Series No.11, 1988 

• Gallium Nitride (GaN), (I and II) Semiconductors 

and Semimetals Vol. 56, 57,1999, Academic Press 

• The blue Laser Diode, GaN Based Light Emitters 

and Lasers, Shuji Nakamura, Pringer-Verlag Berlin 

Heidelberg New York, 1997 

• Organometallic Vapor-Phase Epitaxy, Theory and 

Practice, Gerald B. Stringfellow, (second edition), 

Academic Press, 1999



http://nsr.mij.mrs.org 

Features 

Reference Database, 4388 items. 

MIJ-NSR WebLog, (updated Thursday, December 4, 2003) 

Nitride Calendar, (updated Monday, December 6, 2004) 

Nitride People 

Nitride Links , 63 items.



在半导体工业中,人们习惯地把锗(Ge)、硅(Si)为代表 

的元素半导体材料称为第一代半导体材料,把砷化镓 

(GaAs)、磷化铟(InP)为代表的化合物半导体材料称 

为第二代半导体材料,而把氮化镓(GaN) 、碳化硅 

(SiC)、氧化锌(ZnO)为代表的半导体材料称为第 

三代半导体材料.由于这些材料的禁带宽度较Si、 

GaAs等材料更宽,因而它们一般具有更高的击穿电场 

、热导率、电子饱和速率及更高的抗辐射能力,因而 

更适合于制作高温、高频及大功率器件, 故称这类材 

料为宽禁带半导体材料(WBG)(通常指禁带宽度大 

于 2 . 2电子伏特的半导体材料),也称高温半导体材 

料。



内容提要 

• 一、宽禁带半导体 

• 二、氮化物半导体的用途 

• 三、主要发展趋势



一、宽禁带半导体


数理学部实验物理讲习班



InN-GaN-AlN system covers a wide range of spectrum 

Band gap energy (eV) 

7 

6 

5 

4 

3 

2 

1 

AlN 

GaN 

ZnO 

InN 

ZnS 

AlP 

GaP 

Direct band gap 

Indirect band gap 

MgS 

GaAs 

MgSe 

ZnSe 

AlAs 

InP 

CdTe 

1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 

Bond length (Å) 

Group III-nitrides: covering the wavelength region from UV to IR



ZnO 

第三代 

第一、二代



High-Indium-Content InGaN/GaN Multiple- 

Quantum-Well Light-Emitting Diodes 

• High-indium-content InGaN/GaN MQW LED structures 

were epitaxially grown by MOVPE. 

• With 70% indium in the InGaN well layers, it was found 

that the photoluminescence (PL) full-width at half 

maximum (FWHM) is stronger than that in the case of 

low-indium-content InGaN/GaN MQW LED structures. 

• It was also found that the peak position of 

electroluminescence (EL) fabricated In0.7Ga0.3N/GaN 

LED depends strongly on injection current. 

• As injection current increased from 1 mA to 150 mA, it 

was found that the output color of the In0.7Ga0.3N/GaN 

LED changed from orange to yellow, to yellowish green, 

and finally to yellowish white



InGaN-Based Single-Chip Multicolor 

Light-Emitting Diodes 

• A light-emitting diode (LED) driving technique to 

realize single-chip multicolor LEDs was proposed. 

• The technique utilizes one of the characteristics of 

InGaN-based visible LEDs, the current-induced 

spectral blueshift. 

• By applying pulsed current, which had two pulses of 

different amplitude in a cycle, to an InGaN singlequantum-well 

green LED, the light of two wavelengths 

corresponding to bluegreen and green was emitted 

from the same point, and the emission color of the 

LED was controlled continuously from bluegreen to 

green by adjusting only the pulse widths.





二、氮化物的用途



氮化物半导体的主要特点 

• GaN, AlN, InN 及其合金体系,全部为直 

接带隙,构成高亮度发光材料。 

• 易于生成多层异质结构,形成MQWs, 

SLS, 2DEG等结构,有利于器件结构设计。 

• 带隙范围覆盖了整个可见光到远紫外波 

段,特别是在短波长方面,目前是唯一 

最佳选择。 

• 结构稳定,耐腐蚀,长寿命



氮化物半导体的主要用途 

• 高亮度紫外光、蓝光、绿光和白光光发射二极 

管(LED),包括红光和红外光LED 

• 近紫外(UV)光激光器(LD) 

• 可见光盲的UV-光传感器 

• 高温大功率场效应晶体管(FET) 

• 高温稀磁半导体、自旋电子学器件

Applications of group III-nitrides in 

optoelectronic/electronic, devices 



LD: 400-410nm 

Nichia 

ΔE C 

~2eV 

LED-Generated indoor/outdoor lighting, 

LD-Underwater communications, High-resolution 

printings, High density data storage, Full-color film 

printers, Projection television 

Photodetector, Air pollution detection, 

Biomedical Uses, etc. 

High electron drift velocity, high 

breakdown voltage, high sheet 

carrier density without doping



颜色与波长 

400 700 

波长nm 

λ=460nm=0.46μm; Eg=1.24/0.46=2.7eV; X=2.1eV



GaN-based LED 

•蓝光: 470-480nm 

•绿光:525nm 

•白光:465nm 

•UV: 250-400nm









• D65 日光点互补二色光合成 

• RGB三色光合成 

• UV-LED + 无机荧光粉 

LED白色光源 

• B-LED + YAG无机荧光粉 

• B-LED + 有机/聚合物 

• 直接发射宽谱白光LED 

• HP采用B-LED + YAG无机荧光粉的方法,研制的白光LED灯 

在CIE1931 色度坐标标称值为: x = 0.31, y = 0.32;这代 

表了约6500K色温;15度视角等为2000 mcd,30度视角为800 

mcd。目前定价为0.9美元/个 

• 日亚B-LED + YAG无机荧光粉推出的白光LED为2000 mcd, 

标准5mm封装





GaN-based LD 

•波长: 405nm





Applications of GaN-based LD in high-density data storage



不同光源DVD容量比较



electronic devices Application 

• High-power, 

• high-temperature and 

• high-frequency electronic devices



Physical Properties of Typical Semiconductors for 

High Power Electronic Devices 

Material 

E g 

(eV) 

n i 

(cm -3 ) 

Si 1.10 1.5×10 1 

GaAs 1.40 1.8×10 

0 

ε r 

11. 

8 

6 12. 

8 

μn (cm2 / 

Vs) 

Ec (106V/c m) 

vsat (107 1350 0.3 

cm 

/s) 

1.0 

W/c 

m･ 

K 

1.5 

Dire 

ct 

Indirec 

t 

I 

8500 0.4 2.0 0.5 D 

GaN 3.39 1.9×10 - 

10 9.0 1200 3.3 2.5 2.1 D 

4H- 

SiC 

6H- 

SiC 

3.26 8.2×10 - 

9 

10. 

0 

720 2.0 2.0 4.5 I 

3.00 2.3×10 - 

6 9.7 370 2.4 2.0 4.5 I



GaN-based UV-detectors 

•波长:可见光盲320nm



High-performance AlGaN-based solar-blind ultraviolet p– i– n 

detectors on laterally epitaxially overgrown GaN



UV-detector 

导弹监测系统 

UV-detector 

导弹跟踪系统



GaN-based DMS 

•Curie temperature: 

•higher then room temperature

磁性材料分类 



顺磁材料: B’与B0 同向,B>B0 ,μr >1 

抗磁材料: B’与B0 反向,BB0 ,μr >>1 

软磁材料:矫顽力小,易充、退磁,适宜制成高频器件,如电 

机、变压器、继电器等的铁芯; 

硬磁材料:矫顽力大,剩磁也大,适于制成永久磁铁,如电磁 

仪表、扬声器等的永久磁铁; 

矩磁材料:剩磁值接近饱和值,适合制成“记忆”元件,如计算 

机的储存元件。



. 

Ferromagnetic, diluted magnetic and non-magnetic



稀磁半导体铁磁的机制 

• Mean-field approximation theory 

Two assumption: 

1) Carrier-induced ferromagnetism 

2) Long range spin-spin coupling 

• Kinetic-exchange model via Monte Carlo 

simulations 

• Local density functional calculation



简单介绍: 

简单地说,DMS就是在半导体材料 

中低掺杂磁性物质。使半导体的电学 

和磁学性质发生变化,而变化的原因 

是其电子结构在掺杂后发生变化。左 

图为金属正常态和铁磁态电子态密度 

示意图(Sience 282,1660(1998)) 

可见,铁磁态物质中的电子会发生自 

旋极化,而在宏观上可观察到的效应 

有磁滞回线,反常Hall效应,负磁阻 

效应等。



前面提到的平均场理论,认为 

Mn确实替代了Ga,磁性耦合 

是通过空穴传递的。左图为 

T.Dietl的结果 

(Science,287,1019(2000)) 

但实验上也得到了N-type铁 

磁态的GaN, Tc能达到320k, 

这说明平均场理论所考虑的 

相互作用存在问题。 

A.P.L 79,1312(2001) 

A.P.L 80,3964(2002) 

平均场理论:



该理论认为Mn并没有替代 

Ga,而是在生长过程中一些 

具有铁磁性的物质形成小团 

簇,该理论能说明Tc 大的变 

化范围,但在实验上从结构 

上分析并探测不到这些小团 

簇的存在。 

(P.R.L 89 185504(2002)) 

团簇理论:

平均场模型 



局域磁矩和电子的自旋相互作用,形成局域磁畴,显示出故 

有的铁磁性 

S.J. Pearton et al Materials Science and Engineering R 40 (2003) 137–168

Mean-field approximation theory 



2 

NX 0 eff SS ( + 1) β AP F S ( TC) 

c = [ ] − AF 

12K 

B 

T T 

N O X eff 为effective spin concentration、S 为 localized spin state、β 

为p-d exchange integral、A F 为 Fermi liquid parameter、P S 为the 

total density of states、k B 为the Boltzmann’s constant,T AF is

Theoretical calculation of Tc for materials 



T. Dietl, et al., Science 287,1019 (2000) 

S. J. Pearton,J. Appl. Phys., 93, 1, 2003



Applications

Polarized light LED by Spin electron injection 



H. Ohno et al., Nature 402, 

790 (1999). 

Polarized light LED by single 

Spin electron injection was 

reported in Nature by H. Ohno 

etc in 1999. The results show: 

•Spin coherence length : GaAs 

spacer layer thickness is 

200nm,polarization is not 

depend on the thickness nd 

current density. 

•The two kind of polarized state 

can be clear testing at low Tc and 

zero magnetic field, that shows 

the spin electron injection.







LED白色光源 

•RGB三色光合成 

• UV-LED + RGB荧光粉 

•B-LED + YAG无机荧光粉 

•B-LED + 有机/聚合物 

• 直接发射宽谱白光LED



21世纪的主导产业 

• 国际公认21世纪是光电子与微电子紧密结合 

发挥作用的时代,信息光电子产业将成为21世 

纪的明星产业和支柱产业。 

• 日本工业调查会总经理志村幸雄指出,21世 

纪具有代表意义的主导产业:一是光电子产 

业、二是信息通信产业,三是健康和福利产 

业,四是环境和新能源产业。



第三代太阳能电池 

• 禁带宽度覆盖了全太阳能光谱 

• 转换效率最高的全太阳能光谱电池材料 

• 从能力转换上是最理想的,结构和价格 

上有待研究和发展



氮化物半导体技术 

半导体照明光源的基石



Nitride 

Semiconductor 

Solid Star



氮化物半导体技术 

第三代半导体技术



三、发展趋势



氮化物研究的主要课题 

• 物理问题的研究--原理机制的创新 

• 新的生长技术和机理的研究--方法创新 

•GaN衬底材料--材料功能创新 

• 短波长激光器 

• 高温大功率电子器件 

• 紫外光LED和探测器 

• 稀磁半导体和自旋电子学 

• 相关技术、材料领域的研究



波长为400nm时,外部量子效率最高 

由日亚化学工业、美国Cree公司和NECD等公司推动的“21世纪照明 

工程”的GaN类LED外部量子效率比较。在400nm附近,外部量子效 

率达到最大值。如果波长超过400nm,外部量子效率就会缓慢降低。 

如果小于400nm,外部量子效率则会急剧降低







氧化条形结构 

限制P型电极面积的大小 

来改善电流的注入 

侧向电流和光限制均较差 

光损耗大,激光器效率低 

属于增益导引机制。



腔镜面制备的困难 

GaN与蓝宝石 

解理面错开 

30度



激光剥离,自然解理镜面 

GaN Ga 

⇒ 

加热 

小于5nm 

+ 

N 

2 

↑

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