淺談InN材料的電學特性

InN材料在光電子領域有著非常重要的應用價值,InN是性能優良的半導體材料。InN的禁帶寬度也許是0.7eV左右,而不是先前普遍接受的1.9eV,所以通過調節合金組分可以獲得從0.6eV(InN)到6.2eV(AlN)的連續可調直接帶隙,這樣利用單一體系的材料就可以製備覆蓋從近紅外到深紫外光譜範圍的光電元件。因此,InN有望成為長波長半導體光電器件、全彩顯示、高效率太陽能電池的優良半導體材料。

一、製造InN薄膜目前存在的難題
製備高品質的InN體單晶材料和外延薄膜單晶材料是研究和開發InN材料應用的前提。但是,製造InN薄膜有兩大困難。

一是InN材料的離解溫度較低,在600 ℃左右就分解了,這就要求在低溫生長下InN ,而作為氮源的NH3的分解溫度較高,要求1000℃左右,這是InN生長的一對矛盾,因此採用一般的方法很難製備單晶體材料,目前製造InN薄膜最常用的方法是MBE、HVPE、磁控濺射、MOCVD技術。

二是很難找到合適的襯底,由於InN單晶非常難獲得,所以必須得異質外延InN薄膜,這就很難避免晶格匹配這個大問題。一般都是在藍寶石襯底上先生長氮化物的緩衝層,然後再異質外延InN薄膜,研究顯示,GaN緩衝層上生長的InN薄膜比較理想。MBE技術生長可以精確控制晶圓膜厚度,得到優良的晶圓材料,但生長的速度較慢,對於較厚要求的晶圓生長耗時過長,不能滿足大規模生產的要求。

對於光電器件,特別是LED、LD晶片,一般都採用用MOCVD技術。這是因為MOCVD技術是以In有機源為金屬源,以N2作為載氣,NH3作為氮源,通過二步製程或其他手段在低溫500℃左右進行InN生長。MOCVD的生長速度適中,可以比較精確地控制外延薄膜厚度,特別適合於光電器件的大規模工業生產。

二、InN材料的電學特性
對InN材料最為關注的就是其帶隙問題,到現在還有很多疑問沒有解決。雖然現在很多人都認為其帶隙為0.6-0.9eV,但也有人認為InN的帶隙也許比這個值稍大一些:1.25–1.30 eV 。持較大帶隙觀點的認為帶隙為0.6-0.7eV的這些樣品中也許含有深的缺陷能級,認為InN中存在深能級缺陷,大約是0.5eV,這樣一來0.7eV正好對應的是1.25-1.30eV。持低能帶隙的認為測得較高帶隙的樣品是由於摻入雜質、Moss-Burstein效應,或是其他因素造成的。氧摻雜對InN帶隙的影響,通過摻入不同的氧雜質,得到了帶隙從0.7-2.0連續變化的禁帶,說明氧是造成帶隙變寬的一個因素。

InN材料的另一個重要問題是InN都呈現出很強的n型電導特徵,這與GaN有些相似,但在InN中這個問題更加嚴重。InN的費米穩定能級EB在導帶裏面,這就意味著在InN中即使電子濃度升高,費米能級增大,也很難形成p型的本征補償缺陷,這就使得電子飽和濃度變得非常大,理論計算表明[29]其飽和電子濃度NS接近1021cm-3。

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