氮化物衬底材料的研究与开发

1、氮化物衬底材料的研究与开发宽带隙的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，其还是很合适于环保的材料体系。半导体照明产业开展分类所示的假设干主要阶段，其每个阶段均能形成富有特色的产业链。世界各国如今又投入了大量的人力、财力和物力，以期望获得gan基高功率器件的打破，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局部内容。gan、aln、inn及其合金等材，是作为新材料的gan系材料。对衬底材料进展评价要就衬底材料综合考虑其因素，寻找到更加适宜的衬底是开展gan基技术的

2、重要目的。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本钱的上下的因素。inn的外延衬底材料就如今来讲有广泛应用的。自支撑同质外延衬底的研制对开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局部内容。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基半导体在短波长发光二极管、激光器和紫外探测器，以及高温微电

3、子器件方面显示出广阔的应用前景；对环保，其还是很合适于环保的材料体系。1994年，日本的niha公司在gan/l23上获得打破，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l23衬底在国际市场上的市场成长期将到达50年之久。gan基led及其所用的l23衬底具有独特的优异物化性能，并且具有长久耐用性。预计，2022年gan基器件的市场规模将扩大至us$30亿，gan基器件所用的l23衬底的市场规模将扩大至us$5亿。半导体照明产业开展分类所示的假设干主要阶

4、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，2022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，20222022年，其中有：d、dvd、h-dvd光存储；激光金色显示；娱乐、条型码、打英图像记录；医用激光；开拓固定照明新领域，衍生出新的照明产业，为通用照明应用打下根底，等等。3第三阶段第三阶段通用照明时代，2022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

5、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，走向了商业市常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，并且到达其商品化，这需要适宜的衬底材料。因此，gan材料及器件开展，需要寻找到与gan匹配的衬底材料，进一步进步外延膜的质量。另外，就根底研究和中长期方案考虑，科技开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

6、晶格和热失配的缺陷局限在衬底上，并且为开拓新的材料体系打下基矗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si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打破，并且广泛应用于大失配异质结材料生长及其相联络的光电子器件制造。世界各国如今又投入了大量的人力、财力和物力，并且以期望获得gan基高功率器件的打破，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。对衬底材料进展评价，要就衬底材料综合考虑其因素，寻找到更加适宜的衬底是作为开展gan基技术的

7、重要目的。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；沿衬底外表法线方向上的匹配。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响使外延膜质量下降。4材料制备的难易程度及本钱的上下考虑到产业化开展的需要，衬底材料的

8、制备要求简洁，而且其本钱不宜很高。二、inn的外延衬底材料的研究与开发inn的外延衬底材料就如今来讲有广泛应用的，其中有：inn；al23(0001)；6h-si；gal24(111)；lial2和liga2；g；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锌矿构造，而另一种是六方晶系的纤锌矿构造。以蓝光辐射为中心形成研究热点的是纤锌矿构造的氮化镓、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，因此有很高的量子效率。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

9、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开展的方向。1inn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，假如能在inn上进展同质外延生长，可以大大减少缺陷，那么器件的性能就有宏大的飞跃。自支撑同质外延gan,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(-al23)和6h-si-al23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)/al23(001),inn110/al2310011,12。因为衬底外表在薄膜生长

10、前的氮化中变为aln,inn绕al23(0001)衬底的六面形格子构造旋转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1900，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，消费技术较为成熟，而且价格廉价，如今仍然是应用最为广泛的衬底材料。6h-si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-si与inn外延膜的晶格匹配得到改善。此外，6h-si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展完全测试成为可能，因此增强了6h-si作

11、为衬底材料的竞争力。又由于6h-si的层状构造易于解理，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构造；但是同时由于其层状构造，在衬底的外表常有给外延膜引入大量的缺陷的台阶出现。3镁铝尖晶石(gal24)gal24晶体，即铝酸镁晶体。gal24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fd3,晶格常数为0.8085n。gal24晶体是优良的传声介质材料，在微波段的声衰减低，用gal24晶体制作的微波延迟线插入损耗校gal24晶体与si的晶格匹配性能好，其膨胀系数也与si相近，因此外延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

12、作的速度要快。此外，国外又用gal24晶体作超导材料，有很好的效果。近年来，对gal24晶体用于gan的外延衬底材料研究较多。由于gal24晶体具有良好的晶格匹配和热膨胀匹配，(111)面gal24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，gal24晶体目前是gan较为适宜的衬底材料之一，已在gal24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，gal24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。在前面的研究根底上，近来把gal24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

13、为：inn(001)/gal24(111)，inn110/gal24100，inn绕gal24(111)衬底的四方、六方形格子构造旋转30。研究说明(111)面gal24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，假如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gal24晶体是很有开展潜力的inn的外延衬底材料。4lial2和liga2以往的研究是把lial2和liga2用作gan的外延衬底材料。lial2和liga2与

14、gan的外延膜的失配度相当小，这使得lial2和liga2成为相当适宜的gan的外延衬底材料。同时liga2作为gan的外延衬底材料,还有其独到的优点：外延生长gan后，liga2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liga2晶体中的锂离子很活泼，在普通的外延生长条件下例如，vd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lial2和liga2用作inn的外延衬底材料。5gg晶体属立方晶系，是nal型构造，熔点为2800。因为g晶体在vd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。6gaasgaas(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0.05时，inn薄膜为立方构造，当生长inn薄膜的厚度超过0.2时，立方构造消失，全部转变为六方构造的inn薄膜。inn薄膜在gaas(111)衬底上的核化方式与在al23(001)衬底上的情况有非常大的差异，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、纤维状构造，外表上显现为非常平整。7si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