2.1　Ⅲ族氮化物半导体材料的基本性质

2.1.1　Ⅲ族氮化物半导体材料的晶体结构

Ⅲ族氮化物半导体材料是指包括GaN、InN、AlN，以及由它们所组成的三元及四元合金材料构成的材料体系。它们具有三种不同的晶体结构：纤锌矿结构（六方α相）、闪锌矿结构（立方β相）和岩盐矿结构（NaCl型复式正方结构）。Ⅲ族氮化物材料最为稳定的晶体结构类型为六方晶系的纤锌矿结构，立方对称的闪锌矿结构为亚稳结构，而岩盐矿结构只有在极端高压的情况下才能得到。目前，Ⅲ族氮化物的研究主要集中在纤锌矿结构，闪锌矿结构也有少量研究。六方对称的纤锌矿结构具有空间群P63mc（C6v），有两个晶格常数（c和a），结构如图2-1（a）所示；立方对称的闪锌矿结构具有空间群F43m（），结构如图2-1（b）所示。这两种结构的原子排列方式基本相同，每个Ga（N）原子都与最近邻的四个N（Ga）原子成键，区别在于次近邻原子键角不同，以及两种结构的原子层堆垛次序不同，如图2-2所示。纤锌矿结构是由Ⅲ族原子层与N原子层分别组成的两套六方结构沿c轴方向平移5c/8嵌套后沿［0001］方向以ABABAB…的形式堆垛成为六方结构；闪锌矿结构是由两个面心立方晶格沿体对角线彼此位移1/4对角线长度套构而成，沿［111］方向以ABCABC…的形式堆垛成为立方对称结构。

2.1.2　Ⅲ族氮化物半导体材料的能带结构

Ⅲ族氮化物具有纤锌矿结构和闪锌矿结构两种。纤锌矿结构晶体为六方结构，其第一布里渊区仍为六方对称结构。闪锌矿结构为面心立方晶格套构而成，其倒格子是体心立方，于是可以得到第一布里渊区为截角八面体。这两种结构的倒格子不同导致它们的能带结构也有所不同。图2-3（a）、（b）分别给出了采用局域密度近似方法得到的具有纤锌矿结构和闪锌矿结构的Ⅲ族氮化物能带结构图。在纤锌矿结构的能带结构图中，由于六方对称性引入的晶体场会导致其价带劈裂成两个子带，当考虑自旋-轨道耦合作用以后，其价带进一步分裂成三个子带及重空穴带、轻空穴带和劈裂带，晶体场导致的子带裂距Ecr要远大于自旋-轨道耦合作用产生的裂距Eso。而在闪锌矿结构的能带结构图中由于不存在晶体场劈裂作用，其价带在布里渊区中心是简并的，具有一个重空穴带和轻空穴带，还有一个由于自旋-轨道耦合作用而分裂出来的第三个子带，称为自旋-轨道劈裂带，其裂距为Eso。在纤锌矿结构的Ⅲ族氮化物体系中，AlN材料的晶体场劈裂能与GaN和InN的晶体场劈裂能符号相反，Г7价带处于Г9价带之上。

2.1.3　Ⅲ族氮化物半导体材料的基本物理性质

Ⅲ族氮化物半导体材料体系具有非常宽的带隙，覆盖了从深紫外光到近红外光波段的光谱范围，是发展近红外光-可见光-紫外光波段半导体光电子器件的优选材料。且相比于Si和GaAs材料，以GaN为代表的宽禁带Ⅲ族氮化物材料具有很低的本征载流子浓度，即使在高温下，GaN基器件的饱和暗电流也很小；另外，相对于Si和GaAs材料，GaN的击穿场强很高，Si的击穿场强为2×105V/cm，GaAs的击穿场强为4×105V/cm，GaN的击穿场强为3×106V/cm，因而GaN基材料特别适合制作大功率电子器件。同时Ⅲ族氮化物组成的异质结构体系由于存在强烈的极化效应，在无须调制掺杂的情况下，就能在异质结界面附近形成二维电子气，如用于制作高电子迁移率晶体管的AlGaN/GaN典型异质结构，在其界面由于极化效应产生的二维电子气面密度高达1013cm-2，比AlGaAs/GaAs体系高出一个量级，适合制作大功率微波器件。此外，Ⅲ族氮化物材料还具有介电常数小、压电性质强、热导率高、饱和电子漂移速率高、化学稳定性好等优良特性。表2-1列出了GaN、AlN、InN晶体的基本参数。

半导体的发光特性由电子-空穴对的复合过程决定，复合包括辐射复合和非辐射复合，前者导致发射光子（发光），后者导致发射声子（发热），其主要的辐射复合与非辐射复合如图2-4所示。过程①是带间跃迁，是直接带隙半导体发光的基本原理；过程②是电子和空穴通过发光中心的复合，为间接带隙半导体发光的基本原理；过程③为非辐射复合过程，与材料的晶体质量有关。Ⅲ族氮化物为直接带隙半导体，其复合跃迁主要发生导带底和价带顶之间，其本征跃迁能量将由三个分裂的价带到最低的导带之间的跃迁决定，相应的激子态通常被命名为A激子态、B激子态和C激子态。在单光子跃迁时，这三个激子态将遵循下面的选择规则：在极化（光场矢量E⊥c轴，光传播矢量k⊥c轴）情况下，三个激子态都是允许的，只是C激子态很弱；在极化（E∥c，k⊥c）情况下，C激子态是强烈允许的，B激子态很弱，而A激子态是禁止的；在极化（E⊥c，k∥c）情况下，三个激子态都能清楚地观测到。例如，无应变的GaN，在2K时A激子态、B激子态和C激子态的能量分别为3.478eV、3.484eV和3.503eV。

2.1.4　Ⅲ族氮化物半导体材料的极化特性

六方结构的Ⅲ族氮化物因缺乏中心反演对称性而使其具有非常强的极化效应，极化强度可达到MV/cm量级，这是Ⅲ族氮化物半导体材料有别于其他化合物半导体材料最明显的特征。极化包括自发极化和压电极化，自发极化是由六方结构的Ⅲ族氮化物的实际晶格参数与理想六方结构的晶格参数之差引起的，它仅与该晶格结构有关，因此是一个常量。理想六方结构的晶格常数c与a之比为c/a=（8/3）1/2=1.633，而实际六方结构Ⅲ族氮化物的c/a值都小于理想值，见表2-2。随着c/a与理想结构的差别变大，自发极化大小从GaN、InN到AlN依次增强，其中AlN的自发极化大小已经非常可观，仅比典型的铁电体小1/5～1/3倍。规定极化强度的正方向为沿c轴从Ⅲ族原子（Al、Ga、In）指向最近邻Ⅴ族原子（N）的方向，即平行于［0001］方向。实验表明，Ⅲ族氮化物自发极化方向均为负，即反平行于［0001］方向。对应的（0001）面和（）面分别为Ga面极化和N面极化，如图2-5所示，这两面的物理、化学性质也有所不同。

续表

在六方结构Ⅲ族氮化物的异质外延生长过程中，薄膜的极性并不能直接得到，而必须由实验来决定。实验表明，用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）方法得到的Ⅲ族氮化物通常呈金属面极化，而用分子束外延（MBE）方法得到的Ⅲ族氮化物为N面极化。如果先于衬底上生长一层AlN缓冲层，再进行分子束外延生长得到的Ⅲ族氮化物极性反向，即从N面极化变为金属面极化。

Ⅲ族氮化物半导体材料还具有良好的压电极化性。对于离子型晶体，当晶格产生形变时，正负离子芯之间产生的偏移可使半导体内产生电场，称为压电效应。总极化强度为自发极化强度和压电极化强度的总和，即P=PSP+PPE，因此对于压应变薄膜，其总极化强度减小，张应变薄膜总极化强度增大。

在Ⅲ族氮化物中，因为不同晶面的极化特性不一样，存在极性面、非极性面和半极性面，沿不同晶向生长的Ⅲ族氮化物由于极化强度的差异而导致材料特性各不相同，其中三个晶面和晶向是特别重要的。它们是极性的（0001）c面、非极性的（）a面和（）m面，如图2-6所示，其对应的晶向分别是［0001］、［］和［］方向。极化效应无论是对Ⅲ族氮化物光电子器件还是电子器件都有着重要的影响，是一个不能忽略的因素。对Ga面的Ⅲ族氮化物发光器件而言，极化效应诱导的电场在量子阱层内与外加正向电压方向相同，极化场使量子阱内导带和价带更加倾斜，产生量子限制斯塔克效应，不仅发光波长出现红移现象，同时由于量子阱能带的倾斜，减小了量子阱内电子和空穴波函数的重叠，降低了量子阱的发光效率。因此，非极性面的发光器件的研究得到了广泛重视。而对GaN基电子器件而言，极化效应更是直接导致了GaN基高电子迁移率晶体管的诞生，极化诱导的非掺杂AlGa（In）N/GaN异质界面电荷所感应的界面二维电子气浓度比调制掺杂的AlGaAs/GaAs体系还要高一个量级，为发展大功率器件提供了条件。同样，极化效应对其他Ⅲ族氮化物光电子器件也会产生重要影响，如探测器和光伏电池，可以通过器件结构的设计引入与PN结内建电场一致的极化电场来提高光生载流子的收集效率。