韓 波，李鐘玉，蘭云軍

（溫州大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院，浙江 溫州 325035）

Ⅲ-族氮化物半導(dǎo)體的研究進(jìn)展

韓 波，李鐘玉，蘭云軍

（溫州大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院，浙江 溫州 325035）

近年來(lái)，Ⅲ-族氮化物材料引起了科學(xué)工作者的極大興趣，并取得了重大的進(jìn)展。本文介紹了Ⅲ-族氮化物材料和器件的發(fā)展，評(píng)述了Ⅲ-族氮化物的摻雜和Ⅲ-族氮化物合金的研究現(xiàn)狀。最后，簡(jiǎn)要展望了Ⅲ-族氮化物未來(lái)的應(yīng)用潛能。

Ⅲ-族氮化物 ；半導(dǎo)體；研究進(jìn)展

Ⅲ-N基半導(dǎo)體是一類(lèi)重要的光電功能材料，具有較寬的帶隙，它們的透光范圍可以從紫外光區(qū)一直延伸到近紅外光區(qū)。同時(shí)，它們還具有較低的壓縮性、較高的導(dǎo)熱性以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性，相比大多數(shù)鎘化合物半導(dǎo)體材料，Ⅲ-N基類(lèi)半導(dǎo)體材料毒性更低。這些突出的物理和化學(xué)性質(zhì)使其成為一類(lèi)備受關(guān)注的光電功能材料。1962年GaAs激光二極管的問(wèn)世，拉開(kāi)了對(duì)Ⅲ-V族材料特別是GaN和InN以及他們的固溶體等研究開(kāi)發(fā)的序幕。以GaN、InN等為代表的第三代半導(dǎo)體寬禁帶化合物比以前的半導(dǎo)體材料有更大的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景，成為21世紀(jì)初最活躍的半導(dǎo)體材料體系。表1列出了300K下二元氮化物的一些基本屬性。

表1 300K下二元氮化物的基本屬性Table 1 the properities of binary nitride under 300k

1 Ⅲ-族氮化物材料和器件的發(fā)展

Ⅲ-族氮化物材料被廣泛用于光電子器件，如發(fā)光二極管（LED）、激光二極管（LD）、紫外線（UV）檢測(cè)器、太陽(yáng)能電池、表面聲波裝置、高溫和高頻率的場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）、異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）等[3-7]，而這些光電器件可以用于固態(tài)照明、全彩顯示屏、激光打印機(jī)、高密度信息存儲(chǔ)和通信的電子設(shè)備中，同時(shí)這些電子設(shè)備又可以應(yīng)用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、未來(lái)先進(jìn)的配電系統(tǒng)、電子汽車(chē)和航空等領(lǐng)域。在過(guò)去的幾十年里，Ⅲ-族氮化物已獲得研究者的顯著關(guān)注，并取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展[8-14]。

纖維鋅礦結(jié)構(gòu)的GaN和AlN在室溫下的帶隙能為3.4eV和6.2eV（圖1），由于在之前一直認(rèn)為InN的帶隙能為1.9eV，所以InN與GaN合金的帶隙能處于1.9eV到3.4eV的范圍內(nèi)，InN和AlN合金的帶隙能處于1.9eV到6.2eV的范圍內(nèi)。這為Ⅲ-族氮化物材料應(yīng)用到綠色、藍(lán)色和紫外范圍的光電設(shè)備中增添了吸引力。至1993年首次將InGaN/ GaN雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)用于LED制造上以來(lái)[15]，高效率，高亮度（HB）和長(zhǎng)壽命不同波長(zhǎng)的Ⅲ-族氮化物基LED已經(jīng)被商業(yè)化。據(jù)報(bào)道，2010年高亮度LED市場(chǎng)份額猛增53%，達(dá)到82億美元。到2014年，LED市場(chǎng)的復(fù)合年均增長(zhǎng)率（CAGR）將增至30.6%，達(dá)到202億美元。預(yù)計(jì)該市場(chǎng)在2021年將達(dá)到697億美元。Ⅲ-族氮化物基LED尤其是白光LED的重大發(fā)展在照明領(lǐng)域產(chǎn)生了革命性的影響——從傳統(tǒng)照明時(shí)代過(guò)渡到固態(tài)照明時(shí)代。我們相信固態(tài)照明的大發(fā)展，不久的將來(lái)會(huì)改變這個(gè)世界的照明方式。紫外和深紫外GaN基LEDs也已經(jīng)取得了較大的進(jìn)步，并蘊(yùn)藏著許多潛在的用途，比如替換水銀燈、作為生物和化學(xué)傳感器的激發(fā)源。一個(gè)InGaN 多量子肼（MQW）結(jié)構(gòu)的激光視盤(pán)（LD)在環(huán)境溫度為50℃、5mW恒定的輸出功率下壽命可以提高3000h以上，這種激光視盤(pán)在1999年已經(jīng)商品化[16]。

圖1 Ⅲ-氮化物的帶隙能和晶格常數(shù)（實(shí)心矩形）。異質(zhì)外延Ⅲ-氮化物作基板的有效晶格常數(shù)（空心圓圈）Fig.1 Bandgaps energy and lattice constants of Ⅲ-nitrides (solid rectangles). Effective lattice constants considered as substrates for hetero-epitaxy of Ⅲ-nitrides (hollow circles).

目前，InN已被證明是一個(gè)窄帶隙半導(dǎo)體材料，在低溫帶隙能為0.65eV，室溫下約為0.7eV[17-22]。這一觀察結(jié)果具有很大的價(jià)值，因?yàn)檫@使得Ⅲ-氮化物和它們的三元、四元合金帶隙寬度范圍不僅僅是1.9e～6.2eV，而是擴(kuò)大至0.65e～6.2eV，覆蓋了從紅外到深紫外全部區(qū)域，使得Ⅲ-族氮化物在光電器件中的應(yīng)用比以前更具吸引力。例如，先前以Ⅲ-族氮化物為基礎(chǔ)的發(fā)光二極管（LED），通常僅僅活躍在綠色、藍(lán)色和紫外范圍內(nèi)，現(xiàn)在可以一直延伸到紅色范圍內(nèi)。這表明，Ⅲ-族氮化物基LED可以取代其它諸如GaAs基材料的LED。因此，僅基于Ⅲ-族氮化物的LED就足以形成大屏幕顯示器和白光照明，那么GaN基藍(lán)光和綠色LED與GaAs基LED的組合就不再是唯一的選擇。由于InN狹窄的帶隙，Ⅲ-族氮化物基的LD也可以延伸到紅外范圍內(nèi)，因而可廣泛應(yīng)用于光通信。此外，InN和GaN合金的發(fā)射譜線幾乎可以匹配整個(gè)太陽(yáng)光譜。因此，我們不僅可以通過(guò)設(shè)計(jì)最佳的光學(xué)帶隙比例(1.1/1.7eV)構(gòu)制成雙層電池[23]，而且可以多層組合制成優(yōu)異的疊層電池。InAlN的帶隙能同樣覆蓋0.65～6.2eV范圍，同樣能夠制成高效率的太陽(yáng)能電池。

寬帶隙的GaN、AlN和它們的合金在高溫度和高功率電子器件的應(yīng)用上有很大的潛能。相比較GaAs、Si和Ge，由于禁帶寬度大，Ⅲ-族氮化物具有較大熱導(dǎo)率，這對(duì)器件和設(shè)備冷卻系統(tǒng)非常有益。GaN、AlN和它們的合金的的擊穿場(chǎng)強(qiáng)也高于Si和GaAs。GaN還具有非常出色的電子輸送性質(zhì)（室溫下一個(gè)電子的遷移速率為1300cm2·v-1)和高飽和電子漂移速度（室溫下3×107cm·s-1）。GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（HFETs）材料和一系列的單極型和雙極型晶體管電子器件優(yōu)異特性是其實(shí)用化最引人注目的例子[24]。InN已被預(yù)測(cè)是Ⅲ-族氮化物中電子有效質(zhì)量最低的氮化物，并擁有最快的遷移速率（室溫下約4400 cm2·V-1·s-1）。室溫下InN具有非常高的漂移速度峰值（4.2×107cm·s-1）。這說(shuō)明InN的電子輸送能力比GaN還要好，已經(jīng)預(yù)測(cè)，0.1μm的InN基場(chǎng)效應(yīng)管，截止頻率在1Hz以上。因此，InN是制造如高速FETs等電子設(shè)備的優(yōu)良半導(dǎo)體材料。

2 Ⅲ-族氮化物的摻雜

摻雜是對(duì)包括氮化物在內(nèi)的所有半導(dǎo)體的一個(gè)重要研究方向。未摻雜的GaN屬于N-型材料，具有最低的電子濃度（1016cm-3）。降低電子濃度一直是研究氮化物以來(lái)面臨的一個(gè)難題。20世紀(jì)80年代后期使用Mg摻雜p型GaN的研究使得氮化物獲得快速發(fā)展。

2.1 N-型摻雜

硅摻雜和鍺摻雜都能有效地得到高電子濃度的N型Ⅲ-族氮化物。由于Si在Ⅲ-族氮化物中溶解度更高，所以Si摻雜使用的更加廣泛。硅和鍺在GaN中取代Ga產(chǎn)生淺施主能級(jí)。Jain等得出結(jié)論，通過(guò)電氣方法確定的Si的活化能在12～17meV的范圍內(nèi)。據(jù)報(bào)道[25]通過(guò)MBE生長(zhǎng)Si摻雜的GaN的電子濃度在1020cm-3以上。Hageman等[26]報(bào)道摻Ge的GaN電子濃度高達(dá)4×1020cm-3。除了硅和鍺外，硒也常用于N-型摻雜。

2.2 P-型摻雜

P型摻雜的GaN一直是一個(gè)難以攻克的難題，研究者已經(jīng)進(jìn)行了大量工作對(duì)P型摻雜的GaN及其合金的研究。20世紀(jì)80年代后期Amano等[27-28]利用MOVPE技術(shù)用Mg作摻雜劑首次獲得P型GaN。他們發(fā)現(xiàn)，摻雜Mg的GaN可以用低能電子束照射反轉(zhuǎn)為P型GaN，這可能與Nakamura等人[29-30]報(bào)告的加熱GaN層具有相同的效果。Nakamura發(fā)現(xiàn)，在真空或氮?dú)鈿夥障陆?jīng)熱處理也能成功獲得P型材料。并且，為了激活Mg，熱退火處理對(duì)于MOVPE法生長(zhǎng)GaN是不可或缺的。G?tz等[31]報(bào)告說(shuō)，通過(guò)熱退火處理后活化的Mg雜質(zhì)使GaN電阻率下降了超過(guò)6個(gè)數(shù)量級(jí)。

分子束外延法生長(zhǎng)的Mg-摻雜GaN的性能與MOVPE生長(zhǎng)的GaN不同，沒(méi)有必要經(jīng)過(guò)熱退火處理，因?yàn)闊嵬嘶鹛幚砩踔炼疾桓淖儞诫s的GaN膜的電特性[32]。Mg的摻入取決于GaN的生長(zhǎng)條件。Berishev等[33]報(bào)道，在富N和較低生長(zhǎng)溫度條件下Mg更容易融入到GaN。在MBE生長(zhǎng)GaN中，極性對(duì)摻雜效率有較大的影響。相比N-極性表面，Mg更容易摻入Ga-極性的GaN中。Ptak報(bào)告說(shuō)[34]，通過(guò)二次離子質(zhì)譜法已經(jīng)檢驗(yàn)到在一定條件下能使高達(dá)30倍以上的Mg摻入到Ga的極層。

其他P型摻雜物包括C、Be、Cd、Ca。理論上Be是P型摻雜的一個(gè)非常理想的候選金屬，因?yàn)樘幵诶w鋅礦氮化鎵的Ga晶格位點(diǎn)上時(shí)其電離能達(dá)到60 meV[35-36]，Nakano等[37]報(bào)道當(dāng)Be摻雜的活化能為231meV時(shí)可獲得輕微的P型導(dǎo)電性。C通常被用來(lái)置換GaN中的N原子變成一個(gè)電子接受體。研究已經(jīng)表明在Ga和N濃度較高的生長(zhǎng)條件下C可以很容易地被摻入，當(dāng)C的濃度在1017～1019cm-3之間時(shí)沒(méi)有觀察到結(jié)構(gòu)質(zhì)量被破壞[38]。Schurman等[39]報(bào)道MOMBE生長(zhǎng)摻雜碳P型氮化鎵，最大的空穴濃度為3×1017cm-3，而流動(dòng)性約為100cm2·V-1·s-1。Mensching等[40]報(bào)道用MBE生長(zhǎng)法在Ca植入的GaN中發(fā)現(xiàn)了P型載流子的存在。

2.3 其他摻雜

由于光通信用1.55μm區(qū)域的重要性，很多研究者已經(jīng)花了大量精力研究Er摻雜Ⅲ-氮化物。從摻鉺GaN和AlN的PL光譜中觀察1.55μm排放[41]。在這個(gè)波長(zhǎng)，Qiu等[42]演示電致發(fā)光設(shè)備（ELD）的室溫操作。摻鉺GaN的光致發(fā)光和電致發(fā)光在537nm和558 nm也出現(xiàn)了綠光發(fā)射[43]。Eu摻雜GaN，在621 nm有一條狹窄的紅色發(fā)射線，在543～663 nm范圍間有幾個(gè)較弱的發(fā)射線[45]。Steckl等[46]報(bào)道由固態(tài)源分子束外延生長(zhǎng)法生長(zhǎng)的各種稀土元素?fù)诫sGaN薄膜的發(fā)射光能覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光譜。原位稀土摻雜的氮化鎵發(fā)光二極管，基于鉺摻雜的規(guī)律能產(chǎn)生綠光，基于鐠摻雜的規(guī)律能產(chǎn)生紅光[47-49]。

由于電荷載流子的自旋，強(qiáng)磁性半導(dǎo)體可能會(huì)引發(fā)新一代微電子器件熱潮，這使得其近年來(lái)備受關(guān)注[50]。 因?yàn)棰?族氮化物的居里溫度預(yù)測(cè)在室溫以上，所以Ⅲ-族氮化物是非常合適的候選材料[51]。在鐵磁Ⅲ-族氮化物之中研究最多的是Mn摻雜GaN。Sasaki等[52]報(bào)道了用MBE在C-藍(lán)寶石上生長(zhǎng)Mn摻雜GaN薄膜，其居里溫度高達(dá)940K。磁化場(chǎng)和溫度的關(guān)系呈現(xiàn)鐵磁相和順磁相共存。Kim等[53]報(bào)道Mn和Mg的共摻雜可以提高GaN的磁性。Graf等[54]報(bào)道了MBE生長(zhǎng)Mn摻雜的鐵磁性氮化鋁。 在Fe摻雜GaN中發(fā)現(xiàn)低于100K的鐵磁行為。EXAFS數(shù)據(jù)表明，約為1019cm-3濃度的Fe取代Ga的位置[55]。MBE展現(xiàn)了生長(zhǎng)高品質(zhì)摻雜錳或其他元素的鐵磁Ⅲ族氮化物的優(yōu)勢(shì)。

3 Ⅲ-氮化合物合金

3.1 InGaN

InGaN和InGaN量子肼是LED和LD有源區(qū)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。In1-xGaxN的能帶隙可以表示為：

其中Eg（InN）和Eg（GaN）分別是InN和GaN的帶隙能，b是In1-xGaxN的彎曲系數(shù)。

目前，InN的能帶隙能被重新證明是0.7eV左右，Wu等[56]報(bào)道了通過(guò)擬合MBE生長(zhǎng)的纖維鋅礦In1-xGaxN（0≤x≤0.5），結(jié)果得出能帶隙的彎曲指數(shù)為1.43eV，因此，方程（1）可直接表示為：

六方和立方氮化銦鎵都已通過(guò)MBE成功生長(zhǎng)。生長(zhǎng)InGaN通常需要一個(gè)GaN和AlN緩沖層或者模板。六方晶系InGaN的生長(zhǎng)也常受極性的影響。Shen等[57]報(bào)道在極性GaN模板上通過(guò)MBE生長(zhǎng)InGaN薄膜，他們發(fā)現(xiàn)在Ga極性GaN模板生長(zhǎng)的InGaN質(zhì)量?jī)?yōu)于N極性生長(zhǎng)的InGaN。Chen等[58]報(bào)道當(dāng)In作為表面活性劑沉積在N-極性GaN表面時(shí)，In原子對(duì)平滑到粗化生長(zhǎng)的過(guò)渡只有一個(gè)很小的影響，沉積在Ga極性氮化鎵表面時(shí)對(duì)平滑生長(zhǎng)起著很大的作用。已經(jīng)有報(bào)道[59-60]在砷化鎵（GaAs）和3C-SiC上生長(zhǎng)立方InGaN層。在InGaN的生長(zhǎng)過(guò)程中In的分布是不均勻的，這種非均勻分布大大影響PL性能，這就是所謂的獨(dú)立定位效應(yīng)[61]。Wang Yadong等[62]通過(guò)控制生長(zhǎng)時(shí)間合成了一系列類(lèi)型的InGaN納米結(jié)構(gòu)材料（圖2）。

(a)納米環(huán)（插圖為放大尺寸圖）；（b）納米點(diǎn)；（c）納米箭（插圖為剖面圖）圖2 InGaN納米結(jié)構(gòu)SEM圖(a) nanorings (inset shows the larger magnitude); (b) nanodots; and (c) nanoarrows (inset shows the cross-sectional view）Fig 2 . SEM images of InGaN nanostructures

3.2 InAlN

相比于InGaN，AlGaN的研究報(bào)道相對(duì)較少，InAlN吸引人的特點(diǎn)是從0.65～6.2eV寬的帶隙以及In0.17Al0.83N與GaN高的的晶格匹配。與InGaN類(lèi)似，In1-xAlxN的能帶隙可以表示為：

InAlN的彎曲系數(shù)報(bào)道的有很多，如2.5eV、2.74eV、1.32eV和2.38eV。He Hong等[63]研究了通過(guò)磁控濺射法制備的In富裕InxAl1-xN薄膜的透射光譜和吸收系數(shù)（圖3）。InAlN通常生長(zhǎng)在GaN或AlN層模板上。Higashiwaki等人[64]報(bào)道了InAlN薄膜在InN層上的生長(zhǎng)。最近，Ga?evi? ?等[65]研究了InAlN單層組成，應(yīng)變和表面形貌，與生長(zhǎng)溫度的函數(shù)關(guān)系，并構(gòu)建了一個(gè)全面的InGaN生長(zhǎng)圖。

a）透射光譜；（b）平方吸收系數(shù)α2圖3 不同濃度InxAl1-xN薄膜的光學(xué)性質(zhì)(a) transmittance spectra (b) squared absorption coefficient α2Fig. 3. Optical properties of InxAl1-xN films with different In content

3.3 AlGaN

AlGaN已被人們深入的研究并廣泛應(yīng)用于LDs的阻擋層和電子設(shè)備。AlGaN的帶隙能可以表示為：

Lee等[66]將自己得到的AlGaN彎曲系數(shù)與其他人報(bào)道的彎曲系數(shù)做了比較，發(fā)現(xiàn)所測(cè)帶隙與外延生長(zhǎng)的AlxGa11-xN之間有相關(guān)性，在溫度大于800℃下直接核化或緩沖生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底上的InGaN，通常有一個(gè)較大的彎曲系數(shù)（b＞+1.3eV）。若最初使用低溫緩沖生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底上，然后在高溫下生長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致一個(gè)較弱的彎曲系數(shù)（b＜+1.3eV）。lliopoulos等[67]報(bào)道了AlGaN薄膜生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)。他們發(fā)現(xiàn)，Al的摻入概率在整個(gè)溫度范圍是統(tǒng)一的。他們研究了富N和富Ⅲ基團(tuán)的生長(zhǎng)情況。另一方面，只有在富N條件下，Ga的摻入概率是恒定的（小于1）。在這種情況下Ga的摻入概率取決于薄膜表面Ga的解吸與活化能，在富金屬情況下，摻雜的Al和Ga原子之間存在相互競(jìng)爭(zhēng)，并且摻雜的Ga單獨(dú)由沒(méi)有被Al消耗完的有效氮流所控制。He Chengyu等[68]通過(guò)化學(xué)氣相沉積法成功的制備了整個(gè)組成范圍的AlxGa1-xN 合金納米錐，通過(guò)電子顯微鏡，X射線衍射，能量色散型X射線光譜儀，和選區(qū)電子衍射等表征揭示了所制備的纖鋅礦型AlxGa1-xN納米錐組成分布均勻，具有單晶結(jié)構(gòu)，并且沿c軸優(yōu)先生長(zhǎng)（圖4），這為進(jìn)一步發(fā)展先進(jìn)的納米光電設(shè)備提供了新的可能性。

a)SEM圖；（b）特征峰為 (100)，(002)，(101)的XRD譜圖；（c）有明顯元素信號(hào)的SEM-EDS光譜；（d）AlxGa1-xN的晶格常數(shù)c和a隨著x的變化曲線圖4 1號(hào)到11號(hào)，隨著鋁含量增加AlxGa1-xN的SEM、XRD以及EDS表征譜圖(a) SEM images. (b) XRD patterns with the characteristic peaks of (100), (002), and (101). (c) SEM-EDS spectra with marked elemental signals. (d) The curve of lattice parameters c and a of AlxGa1-xN with x changedFigure 4 SEM, XRD and EDS characterizations on a sequence of AlxGa1-xN products with increasing Al content from no.1 to no.11.

由于能夠作為包覆層應(yīng)用在LDs中，摻雜的AlGaN具有很高的價(jià)值。Si常常被用作一種N型摻雜物，Mg常常被用作一種P型摻雜物，當(dāng)鋁的濃度較小時(shí)，Si摻雜效率很高，一個(gè)濃度為1019cm-3的Si，在室溫下足以使準(zhǔn)金屬導(dǎo)電[69]。對(duì)于更高的Al濃度，由于電子遷移率的降解和Si施主能級(jí)帶隙的移位，導(dǎo)電性會(huì)急劇降低。P型摻雜十分困難。由于Al摻入會(huì)引起受主能級(jí)移位，關(guān)于P型AlGaN研究報(bào)道很少。Stutzmann等[69]通過(guò)使用熱電勢(shì)觀察過(guò)摻雜Mg的AlGaN的P型電導(dǎo)系數(shù)。

6 結(jié)語(yǔ)

Ⅲ-族氮化物帶隙能從紅光波段一直覆蓋到紫外波段，不僅是制作紅、黃、綠，特別是藍(lán)光發(fā)光二極管（LED)和激光二極管(LD)、大功率晶體管的最佳候選材料，而且由于其在紫外光檢測(cè)器、太陽(yáng)能光伏、場(chǎng)效應(yīng)晶體管等方面同樣具有廣闊的應(yīng)用前景，近年來(lái)，Ⅲ-族氮化物引起了科學(xué)工作者的極大興趣，并取得了重大的進(jìn)展。單分散、高密度、無(wú)缺陷、排列有序Ⅲ-族氮化物材料制備，均一尺寸Ⅲ-族氮化物量子點(diǎn)摻雜于透明玻璃和陶瓷等基質(zhì)內(nèi)的可控生長(zhǎng)，大的帶隙發(fā)射材料的合成具有重要的學(xué)術(shù)意義和廣闊的應(yīng)用前景，都將是未來(lái)半導(dǎo)體材料領(lǐng)域具有挑戰(zhàn)性的研究課題。經(jīng)過(guò)各國(guó)研究者的不斷努力，相信Ⅲ-族氮化物半導(dǎo)體材料和器件將會(huì)在更多的領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)實(shí)用化。

[1] Bernardini F. Spontaneous and piezoelectric polarization：Basic theory vs. practical recipes[M].Wiley-VCH, Weinheim, 2007.

[2] Ambacher O. Growth and applications of group Ⅲ-nitrides[J]. Journal of Physics D： Applied Physics, 1998, 31(20)： 2653.

[3] Morkoc H. Nitride semiconductors and devices[M]. Springer Verlag, 1999.

[4] Nakamura S, Pearton S, Fasol G. The blue laser diode： the complete story[M]. Springer, 2000.

[5] Pearton S J, Kuo C. GaN and related materials for device applications[J]. MRS Bulletin, 1997,22(2)： 17-21.

[6] GroupⅢ nitride semiconductor compounds： physics and applications[M]. Clarendon, 1998.

[7] Pankove J I, Moustakas T D, Willardson R K. Gallium Nitride (GaN) I[M]. Academic Press, 1998.

[8] Jain S C, Willander M, Narayan J, et al.Ⅲ-nitrides： Growth, characterization, and properties[J].Journal of Applied Physics, 2000, 87(3)： 965-1006.

[9] Pearton S J, Ren F. GaN electronics[J]. Advanced Materials, 2000, 12(21)： 1571-1580.

[10] Morko? H, Carlo A D, Cingolani R. GaN-based modulationdoped FETs and UV detectors[J].Solid-State Electronics, 2002, 46(2)： 157-202.

[11] Pearton S J, Zolper J C, Shul R J, et al. GaN： Processing, defects, and devices[J]. Journal of Applied Physics, 1999, 86(1)： 1-78.

[12] Deger C, Born E, Angerer H, et al. Sound velocity of AlGaN thin films obtained by surface acoustic-wave measurements[J]. Applied physics letters, 1998, 72： 2400.

[13] VurgaftmanI,Meyer JR. Band parameters for nitrogencontaining semiconductors[J].Journal of Applied Physics, 2003, 94(6)： 3675-3696.

[14] Strite S, Morkoc H. GaN, AlN, and InN： a review[J]. Journal of Vacuum Science & Technology B： Microelectronics and Nanometer Structures, 1992, 10(4)： 1237-1266.

[15] Nakamura S, Senoh M, MukaiT.P-GaN/N-InGaN/N-GaN double-heterostructure blue-light-emitting diodes[J]. Japanese Journal of Applied Physics Part 2 Letters, 1993(32)： L8.

[16] Nakamura S, Senoh M, Nagahama S,et al.Violet InGaN/ GaN/AlGaN-based laser diodes operable at 50 C with a fundamental transverse mode[J]. Japanese journal of applied physics, 1999(38)： L226-L229.

[17] Xu K, Yoshikawa A. Effects of film polarities on InN growth by molecular-beam epitaxy[J]. Applied physics letters, 2003, 83(2)： 251-253.

[18] Wu J, Walukiewicz W. Band gaps of InN and groupⅢnitride alloys[J]. Superlattices and Microstructures, 2003, 34(1)： 63-75.

[19] Davydov V Y, Klochikhin A A, Seisyan R P, et al. Absorption and emission of hexagonal InN.Evidence of narrow fundamental band gap[J]. physica status solidi (b), 2002, 229(3)： r1-r3.

[20] J. Wu, W. Walukiewicz, K.M. Yu, J.W. ArgerⅢ , E.E. Haller, H. Lu, W.J. Schaff, Y. Saito,Y. Nanishi, Appl. Phys. Lett., 2002(80)： 3967.

[21] Bhuiyan A G, Hashimoto A, Yamamoto A. Indium nitride (InN)： A review on growth,characterization, and properties[J]. Journal of Applied Physics, 2003, 94(5)：2779-2808.

[22] Nanishi Y, Saito Y, Yamaguchi T. RF-molecular beam epitaxy growth and properties of InN and related alloys[J]. Japanese journal of applied physics, 2003, 42(part 1)：2549-2559.

[23] Rault F K, Zahedi A. Ideal quantum well solar cell designs[J]. Physica E： Low-dimensional Systems and Nanostructures, 2004, 21(1)： 61-70.

[24] Nakajima A, Dhyani M H, Narayanan E M S, et al. GaN based Super HFETs over 700V using the polarization junction concept[C]//Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD), 2011 IEEE 23rd International Symposium on. IEEE, 2011： 280-283.

[25] Ng H M, Doppalapudi D, Korakakis D, et al. MBE growth and doping of Ⅲ-V nitrides[J]. Journal of crystal growth, 1998(189)： 349-353.

[26] Hageman P R, Schaff W J, Janinski J, et al. n-type doping of wurtzite GaN with germanium grown with plasmaassisted molecular beam epitaxy[J]. Journal of crystal growth, 2004, 267(1)： 123-128.

[27] Amano H, Sawaki N, Akasaki I, et al. Metalorganic vapor phase epitaxial growth of a high quality GaN film using an AlN buffer layer[J]. Applied Physics Letters, 1986(48)：353.

[28] Amano H, Akasaki I, Kozawa T, et al. Electron beam effects on blue luminescence of zinc-doped GaN[J]. Journal of Luminescence, 1988(40)：121-122.

[29] Nakamura S, Mukai T, Senoh M, et al. Thermal annealing effects on p-type Mg-doped GaN films[J]. Jpn. J. Appl. Phys., 1992, 31(2B)： L139-L142.

[30] Nakamura S, Mukai T, Senoh M, et al. Thermal annealing effects on p-type Mg-doped GaN films[J]. Jpn. J. Appl. Phys., 1992, 31(2B)： L139-L142.

[31] Gotz W, Johnson N M, Walker J, et al. Activation of acceptors in Mg-doped GaN grown by metal organic chemical vapor deposition[J]. Applied physics letters, 1996, 68(5)： 667-669.

[32] Kim W, Salvador A, Botchkarev A E, et al. Mg-doped p-type GaN grown by reactive molecular beam epitaxy[J]. Applied physics letters, 1996, 69(4)： 559-561.

[33] Berishev I, Kim E, Fartassi A, et al. Mg doping studies of electron cyclotron resonance molecular beam epitaxy of GaN thin films[J]. Journal of Vacuum Science & Technology A：Vacuum, Surfaces, and Films, 1999, 17(4)：2166-2169.

[34] Ptak A J, Myers T H, Romano L T, et al. Magnesium incorporation in GaN grown by molecular-beam epitaxy[J]. Applied Physics Letters, 2001, 78(3)： 285-287.

[35] Bernardini F, Fiorentini V, Bosin A. Theoretical evidence for efficient p-type doping of GaN using beryllium[J]. Applied physics letters, 1997, 70(22)： 2990-2992.

[36] Neugebauer J, Van de Walle C G. Chemical trends for acceptor impurities in GaN[J]. Journal of applied physics, 1999, 85(5)： 3003-3005.

[37] Nakano Y, Jimbo T. Electrical characterization of acceptor levels in Be-implanted GaN[J].Applied physics letters, 2002, 81(21)： 3990-3992.

[38] Green D S, Mishra U K, Speck J S. Carbon doping of GaNwith CBr4 in radio-frequency plasma-assisted molecular beam epitaxy[J]. Journal of applied physics, 2004, 95(12)：8456-8462.

[39] Schurman M J, Slagaj T, Tran C, et al. Reproducibility of GaN and InGaN films grown in a multi-wafer rotating-disc reactor[J]. Materials Science and Engineering： B, 1997, 43(1)： 222-227.

[40] Mensching B, Liu C, Rauschenbach B, et al. Characterization of Ca and C implanted GaN[J].Materials Science and Engineering： B, 1997, 50(1)： 105-108.

[41] V. Dierolf, C. Sandmann, J. Zavada, P. Chow, B. Hertog, J. Appl. Phys.,2004(95)： 5464.

[42] Qiu C H, Leksono M W, Pankove J I, et al. Cathodoluminescence study of erbium and oxygen coimplanted gallium nitride thin films on sapphire substrates[J]. Applied physics letters, 1995, 66(5)： 562-564.

[43] Lee D S, Steckl A J. Lateral color integration on rare-earthdoped GaN electroluminescent thin films[J]. Applied physics letters, 2002, 80(11)： 1888-1890.

[44] Heikenfeld J, Garter M, Lee D S, et al. Red light emission by photoluminescence and electroluminescence from Eudoped GaN[J]. Applied physics letters, 1999, 75(9)： 1189-1191.

[45] Steckl A J, Heikenfeld J, Garter M, et al. Rare earth doped gallium nitride-light emission from ultraviolet to infrared[J]. Compound Semicond, 2000, 6(1)：48-50.

[46] Steckl A J, Garter M, Birkhahn R, et al. Green electroluminescence from Er-doped GaN Schottky barrier diodes[J]. Applied physics letters, 1998, 73(17)： 2450-2452.

[47] Garter M, Scofield J, Birkhahn R, et al. Visible and infrared rare-earth-activated electroluminescence from indium tin oxide Schottky diodes to GaN： Er on Si[J]. Applied physics letters, 1999, 74(2)： 182-184.

[48] Birkhahn R, Garter M, Steckl A J. Red light emission by photoluminescence and electroluminescence from Prdoped GaN on Si substrates[J]. Applied physics letters, 1999, 74(15)： 2161-2163.

[49] Pearton S J, Abernathy C R, Overberg M E, et al. Wide band gap ferromagnetic semiconductors and oxides[J]. Journal of Applied Physics, 2003, 93(1)： 1-13.

[50] Dietl T, Ohno H,Matsukura F, et al. Zener model description of ferromagnetism in zinc-blende magnetic semiconductors[J].Science, 2000, 287(54/55)： 1019-1022.

[51] Sasaki T, Sonoda S,Yamamoto Y, et al. Magnetic and transport characteristics on high Curie temperature ferromagnet of Mn-doped GaN[J].Journal of applied physics, 2002, 91(10)： 7911-7913.

[52] Kim K H, Lee K J, Kim D J, et al. Improvement of magnetic property of GaMnN by codoping of Mg[J]. Journal of applied physics,2003, 93(10)： 6793-6795.

[53] Graf T, Gjukic M, Hermann M, et al. Spin resonance investigations of Mn2+in wurtzite GaN and AlN films[J]. Physical Review B,2003, 67(16)： 165215.

[54] Akinaga H, Nemeth S, De Boeck J, et al. Growth and characterization of low-temperature grown GaN with high Fe doping[J]. Applied Physics Letters, 2000, 77(26)： 4377-4379.

[55] Wu J, Walukiewicz W, Yu K M, et al. Small band gap bowing in InGaN alloys[J]. Applied Physics Letters,2002(80)： 4741.

[56] Shen X Q, Ide T, Shimizu M, et al. Growth and characterizations of InGaN on N-and Ga-polarity GaN grown by plasma-assisted molecular-beam epitaxy[J]. Journal of crystal growth, 2002(237)： 1148-1152.

[57] Chen H, Feenstra R M, Northrup J E, et al. Surface structures and growth kinetics of InGaN (0001) grown by molecular beam epitaxy[J]. Journal of Vacuum Science & Technology B：Microelectronics and Nanometer Structures, 2000, 18(4)： 2284-2289.

[58] Kitamura T, Cho S H, Ishida Y, et al. Growth and characterization of cubic InGaN epilayers on 3C-SiC by RF MBE[J]. Journal of crystal growth, 2001(227)： 471-475.

[59] Brandt O, Müllhaüser J R, Trampert A, et al. Properties of cubic (In, Ga) N grown by molecular beam epitaxy[J]. Materials Science and Engineering： B, 1999, 59(1)： 73-79. [60] Naranjo F B, Calle F, Calleja E, et al. Strong localization in InGaN layers with high In content grown by molecularbeam epitaxy[J]. Applied physics letters, 2002, 80(2)： 231-233.

[61] Wang Y, Zang K, Chua S, et al. High-density arrays of InGaN nanorings, nanodots, and nanoarrows fabricated by a template-assisted approach[J]. The Journal of Physical Chemistry B,2006,110(23)：11081-11087.

[62] He H, Cao Y, Fu R, et al. Band gap energy and bowing parameter of In-rich InAlN films grown by magnetron sputtering[J]. Applied Surface Science,2010, 256(6)： 1812-1816.

[63] Higashiwaki M, Matsui T. Plasma-assisted MBE growth of InN films and InAlN/InN heterostructures[J]. Journal of crystal growth, 2003, 251(1)： 494-498.

[64] Ga?evi? ?, Gómez V J, Lepetit N G, et al. A comprehensive diagram to grow (0001) InGaN alloys by molecular beam epitaxy[J]. Journal of Crystal Growth, 2013(364)： 123-127.

[65] Lee S R, Wright A F, Crawford M H, et al. The band-gap bowing of AlxGa1-xN alloys[J].Applied physics letters, 1999, 74(22)： 3344-3346.

[66] Iliopoulos E, Moustakas T D. Growth kinetics of AlGaN films by plasma-assisted molecular-beam epitaxy[J]. Applied physics letters, 2002, 81(2)： 295-297.

[67] He C, Wu Q, Wang X, et al. Growth and Characterization of Ternary AlGaN Alloy Nanocones across the Entire Composition Range[J]. ACS nano, 2011, 5(2)： 1291-1296.

[68] Stutzmann M, Ambacher O,Cros A, et al. Properties and applications of MBE grown AlGaN[J]. Materials Science and Engineering： B, 1997, 50(1)： 212-218.

Research Progress on Ⅲ-Nitride Semiconductors

HAN Bo, LI Zhong-yu, LAN Yun-jun
(College of Chemistry and Material Engineering, Wenzhou 325035, China)

Ⅲ -nitri de semiconductor materials had received the scientific researchers’ attention and obtained dramatically development in recent years. In this paper, the development of Ⅲ -nitride materials and devices were introduced. The research situation on doping of Ⅲ-nitride and alloys of Ⅲ-nitride were reviewed. Finally, potential application of Ⅲ-nitride in the future was brief y predict.

Ⅲ-nitride; semiconductor; research progress

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1671-9905(2015)03-00 -

韓波（1988），男，碩士，內(nèi)蒙古赤峰市人，E-mail：18367803373@163.com

2015-01-15