襯底

ap: break-word; color: rgb(51, 51, 51); margin-bottom: 15px; text-indent: 2em; line-height: 24px; zoom: 1; font-family: arial, 宋體, sans-serif; widows: 1; background-color: rgb(255, 255, 255);">氮化物襯底材料的研究與開發(fā)增大字體復位寬帶隙的GaN基半導體在短波長發(fā)光二極管、激光器和紫外探測器，以及高溫微電子器件方面顯示出廣闊的應(yīng)用前景；對環(huán)保，其還是很適合于環(huán)保的材料體系。半導體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展分類所示的若干主要階段，其每個階段均能形成富有特色的產(chǎn)業(yè)鏈。世界各國現(xiàn)在又投入了大量的人力、財力和物力，以期望取得GaN基高功率器件的突破，并且居于此領(lǐng)域的制高點。“氮化物襯底材料與半導體照明的應(yīng)用前景”文稿介紹了氮化物襯底材料與半導體照明的應(yīng)用前景的部分內(nèi)容。

GaN、AlN、InN及其合金等材，是作為新材料的GaN系材料。對襯底材料進行評價要就襯底材料綜合考慮其因素，尋找到更加合適的襯底是發(fā)展GaN基技術(shù)的重要目標。評價襯底材料要綜合考慮襯底與外延膜的晶格匹配、襯底與外延膜的熱膨脹系數(shù)匹配、襯底與外延膜的化學穩(wěn)定性匹配、材料制備的難易程度及成本的高低的因素。InN的外延襯底材料就現(xiàn)在來講有廣泛應(yīng)用的。自支撐同質(zhì)外延襯底的研制對發(fā)展自主知識產(chǎn)權(quán)的氮化物半導體激光器、大功率高亮度半導體照明用LED，以及高功率微波器件等是很重要的。“氮化物襯底材料的評價因素及研究與開發(fā)”文稿介紹了氮化物襯底材料的評價因素及研究與開發(fā)的部分內(nèi)容。

GaN是直接帶隙的材料，其光躍遷幾率比間接帶隙的高一個數(shù)量級。因此，寬帶隙的GaN基半導體在短波長發(fā)光二極管、激光器和紫外探測器，以及高溫微電子器件方面顯示出廣闊的應(yīng)用前景；對環(huán)保，其還是很適合于環(huán)保的材料體系。

1994年，日本的Nicha公司在GaN/Al2O3上取得突破，1995年，GaN器件第一次實現(xiàn)商品化。1998年，GaN基發(fā)光二極管LED市場規(guī)模為US$5.0億，2000年，市場規(guī)模擴大至US$13億。據(jù)權(quán)威專家的預計，GaN基LED及其所用的Al2O3襯底在國際市場上的市場成長期將達到50年之久。GaN基LED及其所用的Al2O3襯底具有獨特的優(yōu)異物化性能，并且具有長久耐用性。預計，2005年GaN基器件的市場規(guī)模將擴大至US$30億，GaN基器件所用的Al2O3襯底的市場規(guī)模將擴大至US$5億。

半導體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展分類所示的若干主要階段，其每個階段均能形成富有特色的產(chǎn)業(yè)鏈：

（1）第一階段

第一階段（特種照明時代，2005年之前），其中有：儀器儀表指示；金色顯示、室內(nèi)外廣告；交通燈、信號燈、標致燈、汽車燈；室內(nèi)長明燈、吊頂燈、變色燈、草坪燈；城市景觀美化的建筑輪廓燈、橋梁、高速公路、隧道導引路燈，等等。

（2）第二階段第二階段（照明時代，2005~2010年），其中有：CD、DVD、H-DVD光存儲；激光金色顯示；娛樂、條型碼、打印、圖像記錄；醫(yī)用激光；開拓固定照明新領(lǐng)域，衍生出新的照明產(chǎn)業(yè)，為通用照明應(yīng)用打下基礎(chǔ)，等等。（3）第三階段第三階段（通用照明時代，2010年之后），包括以上二個階段的應(yīng)用，并且還全面進入通用照明市場，占有30~50%的市場份額。

到達目前為止（處于第一階段，特種照明時代），已紛紛將中、低功率藍色發(fā)光二極管(LED)、綠色LED、白光LED、藍紫色LED等實現(xiàn)了量產(chǎn)，走向了商業(yè)市場。高功率藍色發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)和全波段InN-GaN等，將會引發(fā)新的、更加大的商機，例如，光存儲、光通訊等。實現(xiàn)高功率藍色發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)和全波段InN-GaN實用化，并且達到其商品化，這需要合適的襯底材料。因此，GaN材料及器件發(fā)展，需要尋找到與GaN匹配的襯底材料，進一步提高外延膜的質(zhì)量。

另外，就基礎(chǔ)研究和中長期計劃考慮，科技發(fā)展越來越需要把不同體系的材料結(jié)合到一起，即稱之為異質(zhì)結(jié)材料。應(yīng)用協(xié)變襯底可以將晶格和熱失配的缺陷局限在襯底上，并且為開辟新的材料體系打下基礎(chǔ)。已提出了多種協(xié)變襯底的制備技術(shù)，例如，自支撐襯底、鍵合和扭曲鍵合、重位晶格過渡層，以及SOI和VTE襯底技術(shù)等。預計，在今后的10~20年中，大尺寸的、協(xié)變襯底的制備技術(shù)將獲得突破，并且廣泛應(yīng)用于大失配異質(zhì)結(jié)材料生長及其相聯(lián)系的光電子器件制造。

世界各國現(xiàn)在又投入了大量的人力、財力和物力，并且以期望取得GaN基高功率器件的突破，居于此領(lǐng)域的制高點。

氮化物襯底材料的評價因素及研究與開發(fā)GaN、AlN、InN及其合金等材料，是作為新材料的GaN系材料。對襯底材料進行評價，要就襯底材料綜合考慮其因素，尋找到更加合適的襯底是作為發(fā)展GaN基技術(shù)的重要目標。

InN的外延襯底材料就現(xiàn)在來講有廣泛應(yīng)用的，其中有：InN；α－Al2O3(0001)；6H-SiC；MgAl2O4(111)；LiAlO2和LiGaO2；MgO；Si；GaAs(111)等。

Ⅲ-Ⅴ族化合物，例如，GaN、AlN、InN，這些材料都有二種結(jié)晶形式：一種是立方晶系的閃鋅礦結(jié)構(gòu)，而另一種是六方晶系的纖鋅礦結(jié)構(gòu)。以藍光輻射為中心形成研究熱點的是纖鋅礦結(jié)構(gòu)的氮化鎵、氮化鋁、氮化銦，而且主要是氮化鎵、氮化鋁、氮化銦的固溶體。這些材料的禁帶是直接躍遷型，因而有很高的量子效率。用氮化鎵、氮化鋁、氮化銦這三種材料按不同組份和比例生成的固溶體，其禁帶寬度可在2.2eV到6.2eV之間變化。這樣，用這些固溶體制造發(fā)光器件，是光電集成材料和器件發(fā)展的方向。

（1）InN和GaN

因為異質(zhì)外延氮化物薄膜通常帶來大量的缺陷，缺陷損害了器件的性能。與GaN一樣，如果能在InN上進行同質(zhì)外延生長，可以大大減少缺陷，那么器件的性能就有巨大的飛躍。

自支撐同質(zhì)外延GaN,AlN和AlGaN襯底是目前最有可能首先獲得實際應(yīng)用的襯底材料。

（2）藍寶石(α-Al2O3)和6H-SiC

α-Al2O3單晶，即藍寶石晶體。(0001)面藍寶石是目前最常用的InN的外延襯底材料。其匹配方向為：InN(001)//α－Al2O3(001),InN[110]//α－Al2O3[100][11,12]。因為襯底表面在薄膜生長前的氮化中變?yōu)锳lON,InN繞α－Al2O3(0001)襯底的六面形格子結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)30°，這樣其失匹配度就比原來的29%稍有減少。雖然(0001)面藍寶石與InN晶格的失配率高達25%，但是由于其六方對稱，熔點為2050℃，最高工作溫度可達1900℃，具有良好的高溫穩(wěn)定性和機械力學性能，加之對其研究較多，生產(chǎn)技術(shù)較為成熟，而且價格便宜，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最為廣泛的襯底材料。

6H-SiC作為襯底材料應(yīng)用的廣泛程度僅次于藍寶石。同藍寶石相比，6H-SiC與InN外延膜的晶格匹配得到改善。此外，6H-SiC具有藍色發(fā)光特性，而且為低阻材料，可以制作電極，這就使器件在包裝前對外延膜進行完全測試成為可能，因而增強了6H-SiC作為襯底材料的競爭力。又由于6H-SiC的層狀結(jié)構(gòu)易于解理，襯底與外延膜之間可以獲得高質(zhì)量的解理面，這將大大簡化器件的結(jié)構(gòu)；但是同時由于其層狀結(jié)構(gòu)，在襯底的表面常有給外延膜引入大量的缺陷的臺階出現(xiàn)。

（3）鎂鋁尖晶石(MgAl2O4)

MgAl2O4晶體，即鋁酸鎂晶體。MgAl2O4晶體是高熔點(2130℃)、高硬度（莫氏8級）的晶體材料，屬面心立方晶系，空間群為Fd3m,晶格常數(shù)為0.8085nm。MgAl2O4晶體是優(yōu)良的傳聲介質(zhì)材料，在微波段的聲衰減低，用MgAl2O4晶體制作的微波延遲線插入損耗小。MgAl2O4晶體與Si的晶格匹配性能好，其膨脹系數(shù)也與Si相近，因而外延Si膜的形變扭曲小，制作的大規(guī)模超高速集成電路速度比用藍寶石制作的速度要快。此外，國外又用MgAl2O4晶體作超導材料，有很好的效果。近年來，對MgAl2O4晶體用于GaN的外延襯底材料研究較多。由于MgAl2O4晶體具有良好的晶格匹配和熱膨脹匹配，(111)面MgAl2O4晶體與GaN晶格的失配率為9%，具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，以及良好的機械力學性能等優(yōu)點，MgAl2O4晶體目前是GaN較為合適的襯底材料之一，已在MgAl2O4基片上成功地外延出高質(zhì)量的GaN膜，并且已研制成功藍光LED和LD。此外，MgAl2O4襯底最吸引人之處在于可以通過解理的方法獲得激光腔面。

在前面的研究基礎(chǔ)上，近來把MgAl2O4晶體用作InN的外延襯底材料的研究也陸續(xù)見之于文獻報道。其之間的匹配方向為：InN(001)//MgAl2O4(111)，InN[110]//MgAl2O4[100]，InN繞MgAl2O4(111)襯底的四方、六方形格子結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)30°。研究表明(111)面MgAl2O4晶體與InN晶格的失配率為15%，晶格匹配性能要大大優(yōu)于藍寶石，(0001)面藍寶石與InN晶格的失配率高達25%。而且，如果位于頂層氧原子層下面的鎂原子占據(jù)有效的配位晶格位置，以及氧格位，那么這樣可以有希望將晶格失配率進一步降低至7%，這個數(shù)字要遠遠低于藍寶石。所以MgAl2O4晶體是很有發(fā)展?jié)摿Φ腎nN的外延襯底材料。

（4）LiAlO2和LiGaO2

以往的研究是把LiAlO2和LiGaO2用作GaN的外延襯底材料。LiAlO2和LiGaO2與GaN的外延膜的失配度相當小，這使得LiAlO2和LiGaO2成為相當合適的GaN的外延襯底材料。同時LiGaO2作為GaN的外延襯底材料,還有其獨到的優(yōu)點：外延生長GaN后，LiGaO2襯底可以被腐蝕，剩下GaN外延膜，這將極大地方便了器件的制作。但是由于LiGaO2晶體中的鋰離子很活潑，在普通的外延生長條件下（例如，MOCVD法的化學氣氛和生長溫度）不能穩(wěn)定存在，故其單晶作為GaN的外延襯底材料還有待于進一步研究。而且在目前也很少把LiAlO2和LiGaO2用作InN的外延襯底材料。

（5）MgO

MgO晶體屬立方晶系，是NaCl型結(jié)構(gòu)，熔點為2800℃。因為MgO晶體在MOCVD氣氛中不夠穩(wěn)定，所以對其使用少，特別是對于熔點和生長溫度更高的InN薄膜。

（6）GaAs

GaAs(111)也是目前生長InN薄膜的襯底材料。襯底的氮化溫度低于700℃時，生長InN薄膜的厚度小于0.05μm時，InN薄膜為立方結(jié)構(gòu)，當生長InN薄膜的厚度超過0.2μm時，立方結(jié)構(gòu)消失，全部轉(zhuǎn)變?yōu)榱浇Y(jié)構(gòu)的InN薄膜。InN薄膜在GaAs(111)

襯底上的核化方式與在α－Al2O3(001)襯底上的情況有非常大的差別，InN薄膜在GaAs(111)襯底上的核化方式?jīng)]有在白寶石襯底上生長InN薄膜時出現(xiàn)的柱狀、纖維狀結(jié)構(gòu)，表面上顯現(xiàn)為非常平整。

（7）Si

單晶Si，是應(yīng)用很廣的半導體材料。以Si作為InN襯底材料是很引起注意的，因為有可能將InN基器件與Si器件集成。此外，Si技術(shù)在半導體工業(yè)中已相當?shù)某墒??？梢韵胂?，如果在Si的襯底上能生長出器件質(zhì)量的InN外延膜，這樣則將大大簡化InN基器件的制作工藝，減小器件的大小。

（8）ZrB2

ZrB2是2001年日本科學家首次提出用于氮化物外延新型襯底。ZrB2與氮化物晶格匹配，而且其具有匹配的熱膨脹系數(shù)和高的電導率。主要用助熔劑法和浮區(qū)法生長。

自支撐同質(zhì)外延襯底的研制對發(fā)展自主知識產(chǎn)權(quán)的氮化物半導體激光器、大功率高亮度半導體照明用LED，以及高功率微波器件等是很重要的。

對于制作LED芯片來說，襯底材料的選用是首要考慮的問題。應(yīng)該采用哪種合適的襯底，需要根據(jù)設(shè)備和LED器件的要求進行選擇。

目前市面上一般有三種材料可作為襯底：

·藍寶石（Al2O3）

·硅(Si)

·碳化硅（SiC）

藍寶石襯底通常，GaN基材料和器件的外延層主要生長在藍寶石襯底上。藍寶石襯底有許多的優(yōu)點：首先，藍寶石襯底的生產(chǎn)技術(shù)成熟、器件質(zhì)量較好；其次，藍寶石的穩(wěn)定性很好，能夠運用在高溫生長過程中；最后，藍寶石的機械強度高，易于處理和清洗。因此，大多數(shù)工藝一般都以藍寶石作為襯底。圖1示例了使用藍寶石襯底做成的LED芯片。圖1藍寶石作為襯底的LED芯片使用藍寶石作為襯底也存在一些問題，例如晶格失配和熱應(yīng)力失配，這會在外延層中產(chǎn)生大量缺陷，同時給后續(xù)的器件加工工藝造成困難。藍寶石是一種絕緣體，常溫下的電阻率大于1011Ω·cm，在這種情況下無法制作垂直結(jié)構(gòu)的器件；通常只在外延層上表面制作n型和p型電極（如圖1所示）。在上表面制作兩個電極，造成了有效發(fā)光面積減少，同時增加了器件制造中的光刻和刻蝕工藝過程，結(jié)果使材料利用率降低、成本增加。由于P型GaN摻雜困難，當前普遍采用在p型GaN上制備金屬透明電極的方法，使電流擴散，以達到均勻發(fā)光的目的。但是金屬透明電極一般要吸收約30%~40%的光，同時GaN基材料的化學性能穩(wěn)定、機械強度較高，不容易對其進行刻蝕，因此在刻蝕過程中需要較好的設(shè)備，這將會增加生產(chǎn)成本。藍寶石的硬度非常高，在自然材料中其硬度僅次于金剛石，但是在LED器件的制作過程中卻需要對它進行減薄和切割（從400nm減到100nm左右）。添置完成減薄和切割工藝的設(shè)備又要增加一筆較大的投資。藍寶石的導熱性能不是很好（在100℃約為25W/（m·K））。因此在使用LED器件時，會傳導出大量的熱量；特別是對面積較大的大功率器件，導熱性能是一個非常重要的考慮因素。為了克服以上困難，很多人試圖將GaN光電器件直接生長在硅襯底上，從而改善導熱和導電性能。

硅襯底目前有部分LED芯片采用硅襯底。硅襯底的芯片電極可采用兩種接觸方式，分別是L接觸（Laterial-contact,水平接觸）和V接觸（Vertical-contact，垂直接觸），以下簡稱為L型電極和V型電極。通過這兩種接觸方式，LED芯片內(nèi)部的電流可以是橫向流動的，也可以是縱向流動的。由于電流可以縱向流動，因此增大了LED的發(fā)光面積，從而提高了LED的出光效率。因為硅是熱的良導體，所以器件的導熱性能可以明顯改善，從而延長了器件的壽命。

碳化硅襯底碳化硅襯底（美國的CREE公司專門采用SiC材料作為襯底）的LED芯片電極是L型電極，電流是縱向流動的。采用這種襯底制作的器件的導電和導熱性能都非常好，有利于做成面積較大的大功率器件。采用碳化硅襯底的LED芯片如圖2所示。圖2采用藍寶石襯底與碳化硅襯底的LED芯片碳化硅襯底的導熱性能（碳化硅的導熱系數(shù)為490W/(m·K)）要比藍寶石襯底高出10倍以上。藍寶石本身是熱的不良導體，并且在制作器件時底部需要使用銀膠固晶，這種銀膠的傳熱性能也很差。使用碳化硅襯底的芯片電極為L型，兩個電極分布在器件的表面和底部，所產(chǎn)生的熱量可以通過電極直接導出；同時這種襯底不需要電流擴散層，因此光不會被電流擴散層的材料吸收，這樣又提高了出光效率。但是相對于藍寶石襯底而言，碳化硅制造成本較高，實現(xiàn)其商業(yè)化還需要降低相應(yīng)的成本。

三種襯底的性能比較前面的內(nèi)容介紹的就是制作LED芯片常用的三種襯底材料。這三種襯底材料的綜合性能比較可參見表1。表1三種襯底材料的性能比較除了以上三種常用的襯底材料之外，還有GaAS、AlN、ZnO等材料也可作為襯底，通常根據(jù)設(shè)計的需要選擇使用。

1．襯底與外延膜的結(jié)構(gòu)匹配：外延材料與襯底材料的晶體結(jié)構(gòu)相同或相近、晶格常數(shù)失配小、結(jié)晶性能好、缺陷密度低；

2．襯底與外延膜的熱膨脹系數(shù)匹配：熱膨脹系數(shù)的匹配非常重要，外延膜與襯底材料在熱膨脹系數(shù)上相差過大不僅可能使外延膜質(zhì)量下降，還會在器件工作過程中，由于發(fā)熱而造成器件的損壞；

3．襯底與外延膜的化學穩(wěn)定性匹配：襯底材料要有好的化學穩(wěn)定性，在外延生長的溫度和氣氛中不易分解和腐蝕，不能因為與外延膜的化學反應(yīng)使外延膜質(zhì)量下降；

4．材料制備的難易程度及成本的高低：考慮到產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的需要，襯底材料的制備要求簡潔，成本不宜很高。襯底尺寸一般不小于2英寸。

當前用于GaN基LED的襯底材料比較多，但是能用于商品化的襯底目前只有兩種，即藍寶石和碳化硅襯底。其它諸如GaN、Si、ZnO襯底還處于研發(fā)階段，離產(chǎn)業(yè)化還有一段距離。

氮化鎵：

用于GaN生長的最理想襯底是GaN單晶材料，可以大大提高外延膜的晶體質(zhì)量，降低位錯密度，提高器件工作壽命，提高發(fā)光效率，提高器件工作電流密度。但是制備GaN體單晶非常困難，到目前為止還未有行之有效的辦法。

氧化鋅：

ZnO之所以能成為GaN外延的候選襯底，是因為兩者具有非常驚人的相似之處。兩者晶體結(jié)構(gòu)相同、晶格識別度非常小，禁帶寬度接近（能帶不連續(xù)值小，接觸勢壘?。?。但是，ZnO作為GaN外延襯底的致命弱點是在GaN外延生長的溫度和氣氛中易分解和腐蝕。目前，ZnO半導體材料尚不能用來制造光電子器件或高溫電子器件，主要是材料質(zhì)量達不到器件水平和P型摻雜問題沒有得到真正解決，適合ZnO基半導體材料生長的設(shè)備尚未研制成功。

藍寶石：

用于GaN生長最普遍的襯底是Al2O3。其優(yōu)點是化學穩(wěn)定性好，不吸收可見光、價格適中、制造技術(shù)相對成熟。導熱性差雖然在器件小電流工作中沒有暴露明顯不足，卻在功率型器件大電流工作下問題十分突出。

碳化硅：

SiC作為襯底材料應(yīng)用的廣泛程度僅次于藍寶石，目前還沒有第三種襯底用于GaNLED的商業(yè)化生產(chǎn)。SiC襯底有化學穩(wěn)定性好、導電性能好、導熱性能好、不吸收可見光等，但不足方面也很突出，如價格太高，晶體質(zhì)量難以達到Al2O3和Si那么好、機械加工性能比較差，另外，SiC襯底吸收380納米以下的紫外光，不適合用來研發(fā)380納米以下的紫外LED。由于SiC襯底有益的導電性能和導熱性能，可以較好地解決功率型GaNLED器件的散熱問題，故在半導體照明技術(shù)領(lǐng)域占重要地位。

同藍寶石相比，SiC與GaN外延膜的晶格匹配得到改善。此外，SiC具有藍色發(fā)光特性，而且為低阻材料，可以制作