氮化物衬底材料与半导体照明的应用

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1、氮化物衬底材料与半导体照明的应用宽带隙的 GaN 基半导体在短波长发光二极管、激光器和紫外探测器，以及高温微电子器件方面显示出广阔的应用 前景；对环保，其还是很适合于环保的材料体系。半导体照明产业发展分类所示的若干主要阶段，其每个阶段均能形成富有特色的产业链。世界各国现在又投入了大 量的人力、财力和物力，以期望取得 GaN 基高功率器件的突破，并且居于此领域的制高点。“氮化物衬底材料与半导体照明的应用前景”文稿介绍了氮化物衬底材 料与半导体照明的应用前景的部分内容。GaN、AlN、InN 及其合金等材，是作为新材料的 GaN 系材料。对衬底材料进行评价要就衬底材料 综合考虑其因素，寻找到更加合

2、适的衬底是发展 GaN 基技术的重要目标。评价衬底材料要综合考虑衬底与外延膜的晶格匹配、衬底与外延膜的热膨胀系数匹配、衬 底与外延膜的化学稳定性匹配、材料制备的难易程度及成本的高低的因素。InN 的外延衬底材料就现在来讲有广泛应用的。自支撑同质外延衬底的研制对发展自主 知识产权的氮化物半导体激光器、大功率高亮度半导体照明用 LED，以及高功率微波器件等是很重要的。“氮化物衬底材料的评价因素及研究与开发”文稿介绍了 氮化物衬底材料的评价因素及研究与开发的部分内容。氮化物衬底材料与半导体照明的应用前景GaN 是直接带隙的材料，其光跃迁几率比间接带隙的高一个数量级。因此，宽带隙的 GaN基半导体在短

3、波长发光二极管、激光器和紫外探测器，以及高温微电子器件方面显示出广阔的应用前景；对环保 浠故呛苁屎嫌诨繁牟牧咸逑怠?br 1994 年，日本的 Nicha 公司在 GaN/l2O3 上取得突破，1995 年，GaN 器件第一次实现商品化。1998 年，GaN 基发光二极管 LED 市场规模为 US$5.0 亿，2000 年，市场规模扩大至US$13 亿。据权威专家的预计，GaN 基 LED 及其所用的l2O3 衬底在国际市场上的市场成长期将达到 50 年之久。GaN 基 LED 及其所用的l2O3 衬底具有独特的优异物化性能，并且具有长久耐用性。预计，2005 年 GaN 基器件的市场规模将扩

4、大至 US $30 亿，GaN 基器件所用的l2O3 衬底的市场规模将扩大至 US$5 亿。半导体照明产业发展分类所示的若干主要阶段，其每个阶段均能形成富有特色的产业链：1）第一阶段第一阶段（特种照明时代，2005 年之前），其中有：仪器仪表指示；金色显示、室内外广告；交通灯、信号灯、标致灯、汽车灯；室内长明灯、吊顶灯、变色灯、草坪灯；城市景观美化的建筑轮廓灯、桥梁、高速公路、隧道导引路灯，等等。2）第二阶段第二阶段（照明时代，20052010 年），其中有：CD、DVD、?H-DVD 光存储；激光金色显示；娱乐、条型码、打印、图像记录；医用激光；开拓固定照明新领域，衍生出新的照明产业，为通用

5、照明应用打下基础，等等。3）第三阶段第三阶段（通用照明时代，2010 年之后），包括以上二个阶段的应用，并且还全面进入通用照明市场，占有 3050%的市场份额。到达目前为止（处于第一阶段，特种照明时代），已纷纷将中、低功率蓝色发光二极管(LED)、绿色 LED、白光 LED、蓝紫色 LED 等实现了量产，走向了 商业市场。高功率蓝色发光二极管(LED)、激光二极管(LD)和全波段 InN-GaN 等，将会引发新的、更加大的商机，例如，光存储、光通讯等。实现高 功率蓝色发光二极管(LED)、激光二极管(LD)和全波段InN-GaN 实用化，并且达到其商品化，这需要合适的衬底材料。因此，GaN 材

6、料及器件发 展，需要寻找到与 GaN 匹配的衬底材料，进一步提高外延膜的质量。另外，就基础研究和中长期计划考虑，科技发展越来越需要把不 同体系的材料结合到一起，即称之为异质结材料。应用协变衬底可以将晶格和热失配的缺陷局限在衬底上，并且为开辟新的材料体系打下基础。已提出了多种协变衬 底的制备技术，例如，自支撑衬底、键合和扭曲键合、重位晶格过渡层，以及 SOI 和 VTE 衬底技术等。预计，在今后的 1020 年中，大尺寸的、协变衬底的 制备技术将获得突破，并且广泛应用于大失配异质结材料生长及其相联系的光电子器件制造。世界各国现在又投入了大量的人力、财力和物力，并且以期望取得 GaN 基高功率器件

7、的突破，居于此领域的制高点。氮化物衬底材料的评价因素及研究与开发GaN、AlN、InN 及其合金等材料，是作为新材料的 GaN 系材料。对衬底材料进行评价，要就衬底材料综合考虑其因素，寻找到更加合适的衬底是作为发展 GaN 基技术的重要目标。一、评价衬底材料综合考虑因素评价衬底材料要综合考虑以下的几个因素：（1）衬底与外延膜的晶格匹配衬底材料和外延膜晶格匹配很重要。晶格匹配包含二个内容：?外延生长面内的晶格匹配，即在生长界面所在平面的某一方向上衬底与外延膜的匹配；?沿衬底表面法线方向上的匹配。2）衬底与外延膜的热膨胀系数匹配热膨胀系数的匹配也很重要，外延膜与衬底材料在热膨胀系数上相差过大不仅可

8、能使外延膜质量下降，还会在器件工作过程中，由于发热而造成器件的损坏。3）衬底与外延膜的化学稳定性匹配衬底材料需要有相当好的化学稳定性，不能因为与外延膜的化学反应使外延膜质量下降。4）材料制备的难易程度及成本的高低考虑到产业化发展的需要，衬底材料的制备要求简洁，而且其成本不宜很高。二、InN 的外延衬底材料的研究与开发InN 的外延衬底材料就现在来讲有广泛应用的，其中有：InN；Al2O3(0001)；6H-SiC；MgAl2O4(111)；LiAlO2 和 LiGaO2；MgO；Si?；GaAs(111)等。-族化合物，例如，GaN、AlN、InN，这些材料都有二种结晶形式：一种是立方晶系的闪

9、锌矿结构，而另一种是六方晶系的纤锌矿结构。以蓝光辐射为 中心形成研究热点的是纤锌矿结构的氮化镓、氮化铝、氮化铟，而且主要是氮化镓、氮化铝、氮化铟的固溶体。这些材料的禁带是直接跃迁型，因而有很高的量子效 率。用氮化镓、氮化铝、氮化铟这三种材料按不同组份和比例生成的固溶体，其禁带宽度可在 2.2eV 到 6.2eV 之间变化。这样，用这些固溶体制造发光器 件，是光电集成材料和器件发展的方向。（1）InN 和 GaN因为异质外延氮化物薄膜通常带来大量的缺陷，缺陷损害了器件的性能。与 GaN 一样，如果能在 InN 上进行同质外延生长，可以大大减少缺陷，那么器件的性能就有巨大的飞跃。自支撑同质外延 G

10、aN,AlN 和 AlGaN 衬底是目前最有可能首先获得实际应用的衬底材料。（2）蓝宝石(-Al2O3)和 6H-SiC -Al2O3 单晶，即蓝宝石晶体。(0001)面蓝宝石是目前最常用的 InN 的外延衬底材料。其匹配方向为：InN(001)/?Al2O3 (001),InN110/?Al2O310011,12。因为衬底表面在薄膜生长前的氮化中变为 AlON,InN 绕 Al2O3 (0001)衬底的六面形格子结构旋转 30，这样其失匹配度就比原来的 29%稍有减少。虽然(0001)面蓝宝石与 InN 晶格的失配率高达 25%，但是 由于其六方对称，熔点为 2050，最高工作温度可达 19

11、00，具有良好的高温稳定性和机械力学性能，加之对其研究较多，生产技术较为成熟，而且价格便 宜，现在仍然是应用最为广泛的衬底材料。6H-SiC 作为衬底材料应用的广泛程度仅次于蓝宝石。同蓝宝石相比，6H-SiC 与 InN 外延膜的晶格匹配得到改善。此外，6H-SiC 具有蓝色发光特性，而且为低阻材料，可以制作电极，这就使器件在包装前对外延膜进行完全测试成为可 能，因而增强了 6H-SiC 作为衬底材料的竞争力。又由于 6H-SiC 的层状结构易于解理，衬底与外延膜之间可以获得高质量的解理面，这将大大简化器件的 结构；但是同时由于其层状结构，在衬底的表面常有给外延膜引入大量的缺陷的台阶出现。（3

12、）镁铝尖晶石(MgAl2O4)MgAl2O4 晶体，即铝酸镁晶体。MgAl2O4 晶体是高熔点(2130)、高硬度（莫氏 8 级）的晶体材料，属面心立方晶系，空间群为 Fd3m,?晶格常数为 0.8085nm。MgAl2O4 晶体是优良的传声介质材料，在微波段的声衰减低，用 MgAl2O4 晶体制作的微波延迟线插入损耗小。MgAl2O4 晶体 与 Si 的晶格匹配性能好，其膨胀系数也与 Si 相近，因而外延 Si 膜的形变扭曲小，制作的大规模超高速集成电路速度比用蓝宝石制作的速度要快。此外，国外又 用 MgAl2O4 晶体作超导材料，有很好的效果。近年来，对 MgAl2O4 晶体用于 GaN

13、的外延衬底材料研究较多。由于 MgAl2O4 晶体具有良好的晶格 匹配和热膨胀匹配，(111)面MgAl2O4 晶体与 GaN 晶格的失配率为 9%，具有优良的热稳定性和化学稳定性，以及良好的机械力学性能等优点， MgAl2O4 晶体目前是 GaN 较为合适的衬底材料之一，已在 MgAl2O4基片上成功地外延出高质量的 GaN 膜，并且已研制成功蓝光 LED 和 LD。此 外，MgAl2O4 衬底最吸引人之处在于可以通过解理的方法获得激光腔面。在前面的研究基础上，近来把 MgAl2O4 晶体用作 InN 的外延衬底材料的研究也陆续见之于文献报道。其之间的匹配方向为：InN(001)/MgAl2

14、O4(111)，InN110 /MgAl2O4100，InN 绕 MgAl2O4(111)衬底的四方、六方形格子结构旋转 30。研究表明(111)面 MgAl2O4晶体与 InN 晶格的失配率为 15%，晶格匹配性能要大大优于蓝宝石，(0001)面蓝宝石与InN 晶格的失配率高达 25%。而且，如果位于顶层氧原子层下面的镁 原子占据有效的配位晶格位置，以及氧格位，那么这样可以有希望将晶格失配率进一步降低至 7%，这个数字要远远低于蓝宝石。所以 MgAl2O4 晶体是很有发 展潜力的 InN 的外延衬底材料。（4）LiAlO2 和 LiGaO2以往的研究是把 LiAlO2?和 LiGaO2 用作

15、 GaN 的外延衬底材料。LiAlO2?和 LiGaO2 与 GaN 的外延膜的失配度相当小，这使得 LiAlO2?和 LiGaO2 成为相当合适 的 GaN 的外延衬底材料。同时 LiGaO2 作为 GaN 的外延衬底材料,还有其独到的优点：外延生长 GaN 后，LiGaO2 衬底可以被腐蚀，剩下 GaN 外延 膜，这将极大地方便了器件的制作。但是由于 LiGaO2 晶体中的锂离子很活泼，在普通的外延生长条件下（例如，MOCVD 法的化学气氛和生长温度）不能稳 定存在，故其单晶作为 GaN 的外延衬底材料还有待于进一步研究。而且在目前也很少把 LiAlO2 和 LiGaO2 用作 InN 的

16、外延衬底材料。（5）MgOMgO 晶体属立方晶系，是 NaCl 型结构，熔点为 2800。因为 MgO 晶体在 MOCVD 气氛中不够稳定，所以对其使用少，特别是对于熔点和生长温度更高的 InN 薄膜。（6）GaAsGaAs (111)也是目前生长 InN 薄膜的衬底材料。衬底的氮化温度低于 700时，生长 InN薄膜的厚度小于 0.05m 时，InN 薄膜为立方结构，当生长 InN 薄膜的厚度超过 0.2m 时，立方结构消失，全部转变为六方结构的 InN 薄膜。InN 薄膜在 GaAs(111)衬底上的核化方式与在 Al2O3 (001)衬底上的情况有非常大的差别，InN 薄膜在 GaAs(111)衬底上的核化方式没有在白宝石衬底上生长 InN 薄膜时出现的柱状、纤维状结构，表 面上显现为非常平整。（7）Si单晶 Si，是应用很广的半导体材料。以 Si 作为 InN 衬底材料是很 引起注意的，因为有可能将 InN 基器件与 Si 器件集成。此外，S