第三代半導(dǎo)體材料擁有硅材料無(wú)法比擬的材料性能優(yōu)勢(shì)，從決定器件性能的禁帶寬度、熱導(dǎo)率、擊穿電場(chǎng)等特性來(lái)看，第三代半導(dǎo)體均比硅材料優(yōu)秀，因此，第三代半導(dǎo)體的引入可以很好地解決現(xiàn)如今硅材料的不足，改善器件的散熱、導(dǎo)通損耗、高溫、高頻等特性，被譽(yù)為光電子和微電子等產(chǎn)業(yè)新的發(fā)動(dòng)機(jī)。
其中，GaN具有廣泛的應(yīng)用性，被認(rèn)為是繼硅之后最重要的半導(dǎo)體材料之一。GaN功率器件同當(dāng)前廣泛應(yīng)用的硅基功率器件相比，具有更高的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度，更低的開態(tài)電阻，更快的開關(guān)頻率，可以實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)效率以及在高溫下工作。
同質(zhì)外延的難處
GaN半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)為：襯底→GaN材料外延→器件設(shè)計(jì)→器件制造。其中，襯底是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的基礎(chǔ)。
作為襯底，GaN自然是最適合用來(lái)作為GaN外延膜生長(zhǎng)的襯底材料。同質(zhì)外延生長(zhǎng)從根本上可解決使用異質(zhì)襯底材料所遇到的晶格失配與熱失配問(wèn)題，將生長(zhǎng)過(guò)程中由于材料之間性質(zhì)差異所引起的應(yīng)力降到最低，能夠生長(zhǎng)出異質(zhì)襯底無(wú)法相比的高質(zhì)量GaN外延層。舉例來(lái)說(shuō)，以氮化鎵為襯底可以生長(zhǎng)出高質(zhì)量的氮化鎵外延片，其內(nèi)部缺陷密度可以降到以藍(lán)寶石為襯底的外延片的千分之一，可以有效的降低LED的結(jié)溫，讓單位面積亮度提升10倍以上。
但是，目前GaN器件常用的襯底材料并不是GaN單晶，主要原因就是一個(gè)字：難！相對(duì)于常規(guī)半導(dǎo)體材料，GaN單晶的生長(zhǎng)進(jìn)展緩慢，晶體難以長(zhǎng)大且成本高昂。
GaN的首次合成是在1932年，當(dāng)時(shí)是以NH3和純金屬Ga為原料合成了氮化鎵。從那之后，雖然對(duì)氮化鎵單晶材料做了許多積極的研究，可是由于GaN在常壓下無(wú)法熔化，高溫下分解為Ga和N2，在其熔點(diǎn)(2300℃)時(shí)的分解壓高達(dá)6GPa，當(dāng)前的生長(zhǎng)裝備很難在GaN熔點(diǎn)時(shí)承受如此高的壓力，因此傳統(tǒng)熔體法無(wú)法用于GaN單晶的生長(zhǎng)，所以只能選擇在其他襯底上進(jìn)行異質(zhì)外延生長(zhǎng)。當(dāng)前的GaN基器件主要基于異質(zhì)襯底(硅、碳化硅、藍(lán)寶石等)制作而成，使得GaN單晶襯底及同質(zhì)外延器件的發(fā)展落后于基于異質(zhì)外延器件的應(yīng)用。
幾種襯底材料
藍(lán)寶石
藍(lán)寶石(α-Al2O3)又稱剛玉，是商業(yè)應(yīng)用最為廣泛的LED襯底材料，占據(jù)著LED襯底市場(chǎng)的絕大份額。在早期使用中藍(lán)寶石襯底就體現(xiàn)了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，所生長(zhǎng)的GaN薄膜與SiC襯底上生長(zhǎng)的薄膜位錯(cuò)密度相當(dāng)，且藍(lán)寶石使用熔體法技術(shù)生長(zhǎng)，工藝更成熟，可獲得較低成本、較大尺寸、高質(zhì)量的單晶，適合產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，因此是LED行業(yè)應(yīng)用最早也是最為廣泛的襯底材料。
幾種LED襯底的主要特性對(duì)比
碳化硅
碳化硅屬于IV-IV族半導(dǎo)體材料，是目前市場(chǎng)占有率僅次于藍(lán)寶石的LED襯底材料。SiC具有多種晶型，可分為三大類：立方型(如3C-SiC)、六角型(如4H-SiC)和菱形(如15R-SiC)，絕大部分晶體為3C，4H和6H三種晶型，其中4H，6H-SiC主要用作GaN襯底。
碳化硅非常適合作為L(zhǎng)ED襯底材料。然而，由于生長(zhǎng)高質(zhì)量、大尺寸SiC單晶難度較大，且SiC為層狀結(jié)構(gòu)易于解理，加工性能較差，容易在襯底表面引入臺(tái)階狀缺陷，影響外延層質(zhì)量。同尺寸的SiC襯底價(jià)格為藍(lán)寶石襯底的幾十倍，高昂的價(jià)格限制了其大規(guī)模應(yīng)用。
單晶硅
硅材料是目前應(yīng)用最廣泛、制備技術(shù)最成熟的半導(dǎo)體材料。由于單晶硅材料生長(zhǎng)技術(shù)成熟度高，容易獲得低成本、大尺寸(6-12英寸)、高質(zhì)量的襯底，可以大大降低LED的造價(jià)。并且，由于硅單晶已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用于微電子領(lǐng)域，使用單晶硅襯底可以實(shí)現(xiàn)LED芯片與集成電路的直接集成，有利于LED器件的小型化發(fā)展。此外，與目前應(yīng)用最廣泛的LED襯底-藍(lán)寶石相比，單晶硅在性能上還有一些優(yōu)勢(shì)：熱導(dǎo)率高、導(dǎo)電性好，可制備垂直結(jié)構(gòu)，更適合大功率LED制備。
小結(jié)
近年來(lái)市場(chǎng)對(duì)GaN器件性能提出了越來(lái)越高的要求，特別是對(duì)高電流密度器件(如激光器)和高功率、耐高壓電子器件，例如，長(zhǎng)壽命高功率激光器的位錯(cuò)密度不能超過(guò)105cm-2量級(jí)。由于異質(zhì)外延的眾所周知的缺點(diǎn)，例如晶格失配，熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的高位錯(cuò)密度、鑲嵌晶體結(jié)構(gòu)、雙軸應(yīng)力及晶圓翹曲，使得器件的性能受到襯底結(jié)構(gòu)質(zhì)量的顯著限制。顯而易見，解決這個(gè)問(wèn)題的理想方案仍然是寄希望于氮化鎵單晶的制備技術(shù)的突破。
參考來(lái)源:
[1]陳偉超等.GaN基發(fā)光二極管襯底材料的研究進(jìn)展
[2]曹峻松等.第3代半導(dǎo)體氮化鎵功率器件的發(fā)展現(xiàn)狀和展望
[3]任國(guó)強(qiáng)等.氮化鎵單晶生長(zhǎng)研究進(jìn)展
來(lái)源：粉體網(wǎng)