氮化镓外延为何不生长在氮化镓衬底上？一个字：难！

第3代半导体材料拥有硅材料无法比拟的材料性能优势，从决定器件性能的禁带宽度、热导率、击穿电场等特性来看，第3代半导体均比硅材料优秀，因此，第3代半导体的引入可以很好地解决现如今硅材料的不足，改善器件的散热、导通损耗、高温、高频等特性，被誉为光电子和微电子等产业新的发动机。
其中，GaN具有广泛的应用性，被认为是继硅之后最重要的半导体材料之一。GaN功率器件同当前广泛应用的硅基功率器件相比，具有更高的临界电场强度，更低的开态电阻，更快的开关频率，可以实现更高的系统效率以及在高温下工作。

 

同质外延的难处

 

 

 

GaN半导体产业链各环节为：衬底→GaN材料外延→器件设计→器件制造。其中，衬底是整个产业链的基础。

 

作为衬底，GaN自然是最适合用来作为GaN外延膜生长的衬底材料。同质外延生长从根本上可解决使用异质衬底材料所遇到的晶格失配与热失配问题，将生长过程中由于材料之间性质差异所引起的应力降到最低，能够生长出异质衬底无法相比的高质量GaN外延层。举例来说，以氮化镓为衬底可以生长出高质量的氮化镓外延片，其内部缺陷密度可以降到以蓝宝石为衬底的外延片的千分之一，可以有效的降低LED的结温，让单位面积亮度提升10倍以上。

 

但是，目前GaN器件常用的衬底材料并不是GaN单晶，主要原因就是一个字：难！相对于常规半导体材料，GaN单晶的生长进展缓慢，晶体难以长大且成本高昂。

 

GaN的首次合成是在1932年，当时是以NH₃和纯金属Ga为原料合成了氮化镓。从那之后，虽然对氮化镓单晶材料做了许多积极的研究，可是由于GaN在常压下无法熔化，高温下分解为Ga和N₂，在其熔点(2300℃)时的分解压高达6GPa，当前的生长装备很难在GaN熔点时承受如此高的压力，因此传统熔体法无法用于GaN单晶的生长，所以只能选择在其他衬底上进行异质外延生长。当前的GaN基器件主要基于异质衬底(硅、碳化硅、蓝宝石等)制作而成，使得GaN单晶衬底及同质外延器件的发展落后于基于异质外延器件的应用。

 

几种衬底材料

 

 

 

蓝宝石

 

蓝宝石(α-Al₂O₃)又称刚玉，是商业应用最为广泛的LED衬底材料，占据着LED衬底市场的绝大份额。在早期使用中蓝宝石衬底就体现了其独特的优势，所生长的GaN薄膜与SiC衬底上生长的薄膜位错密度相当，且蓝宝石使用熔体法技术生长，工艺更成熟，可获得较低成本、较大尺寸、高质量的单晶，适合产业化发展，因此是LED行业应用最早也是最为广泛的衬底材料。

 

几种LED衬底的主要特性对比

 

碳化硅

 

碳化硅属于IV-IV族半导体材料，是目前市场占有率仅次于蓝宝石的LED衬底材料。SiC具有多种晶型，可分为三大类：立方型(如3C-SiC)、六角型(如4H-SiC)和菱形(如15R-SiC)，绝大部分晶体为3C，4H和6H三种晶型，其中4H，6H-SiC主要用作GaN衬底。

 

碳化硅非常适合作为LED衬底材料。然而，由于生长高质量、大尺寸SiC单晶难度较大，且SiC为层状结构易于解理，加工性能较差，容易在衬底表面引入台阶状缺陷，影响外延层质量。同尺寸的SiC衬底价格为蓝宝石衬底的几十倍，高昂的价格限制了其大规模应用。

 

单晶硅

 

硅材料是目前应用最广泛、制备技术最成熟的半导体材料。由于单晶硅材料生长技术成熟度高，容易获得低成本、大尺寸(6—12英寸)、高质量的衬底，可以大大降低LED的造价。并且，由于硅单晶已经大规模应用于微电子领域，使用单晶硅衬底可以实现LED芯片与集成电路的直接集成，有利于LED器件的小型化发展。此外，与目前应用最广泛的LED衬底—–蓝宝石相比，单晶硅在性能上还有一些优势：热导率高、导电性好，可制备垂直结构，更适合大功率LED制备。

 

小结

 

 

 

近年来市场对GaN器件性能提出了越来越高的要求，特别是对高电流密度器件(如激光器)和高功率、耐高压电子器件，例如，长寿命高功率激光器的位错密度不能超过10⁵cm^-2量级。由于异质外延的众所周知的缺点，例如晶格失配，热膨胀系数不匹配导致的高位错密度、镶嵌晶体结构、双轴应力及晶圆翘曲，使得器件的性能受到衬底结构质量的显著限制。显而易见，解决这个问题的理想方案仍然是寄希望于氮化镓单晶的制备技术的突破。

 

参考来源:

[1]陈伟超等.GaN基发光二极管衬底材料的研究进展

[2]曹峻松等.第3代半导体氮化镓功率器件的发展现状和展望

[3]任国强等.氮化镓单晶生长研究进展

来源：粉体网

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