第三代半導(dǎo)體材料擁有硅材料無法比擬的材料性能優(yōu)勢，從決定器件性能的禁帶寬度、熱導(dǎo)率、擊穿電場等特性來看，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，被譽為光電子和微電子等產(chǎn)業(yè)新的發(fā)動機。

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強度，更低的開態(tài)電阻，更快的開關(guān)頻率，可以實現(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→器件制造。其中，襯底是整個產(chǎn)業(yè)鏈的基礎(chǔ)。

作為襯底，GaN自然是最適合用來作為GaN外延膜生長的襯底材料。同質(zhì)外延生長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題，將生長過程中由于材料之間性質(zhì)差異所引起的應(yīng)力降到最低，能夠生長出異質(zhì)襯底無法相比的高質(zhì)量GaN外延層。舉例來說，以氮化鎵為襯底可以生長出高質(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，主要原因就是一個字：難！相對于常規(guī)半導(dǎo)體材料，GaN單晶的生長進(jìn)展緩慢，晶體難以長大且成本高昂。

GaN的首次合成是在1932年，當(dāng)時是以NH₃和純金屬Ga為原料合成了氮化鎵。從那之后，雖然對氮化鎵單晶材料做了許多積極的研究，可是由于GaN在常壓下無法熔化，高溫下分解為Ga和N₂，在其熔點(2300℃)時的分解壓高達(dá)6GPa，當(dāng)前的生長裝備很難在GaN熔點時承受如此高的壓力，因此傳統(tǒng)熔體法無法用于GaN單晶的生長，所以只能選擇在其他襯底上進(jìn)行異質(zhì)外延生長。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襯底市場的絕大份額。在早期使用中藍(lán)寶石襯底就體現(xiàn)了其獨特的優(yōu)勢，所生長的GaN薄膜與SiC襯底上生長的薄膜位錯密度相當(dāng)，且藍(lán)寶石使用熔體法技術(shù)生長，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襯底的主要特性對比

碳化硅

碳化硅屬于IV-IV族半導(dǎo)體材料，是目前市場占有率僅次于藍(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LED襯底材料。然而，由于生長高質(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階狀缺陷，影響外延層質(zhì)量。同尺寸的SiC襯底價格為藍(lán)寶石襯底的幾十倍，高昂的價格限制了其大規(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。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：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)

近年來市場對GaN器件性能提出了越來越高的要求，特別是對高電流密度器件(如激光器)和高功率、耐高壓電子器件，例如，長壽命高功率激光器的位錯密度不能超過10⁵cm^-2量級。由于異質(zhì)外延的眾所周知的缺點，例如晶格失配，熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的高位錯密度、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，解決這個問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]任國強等.氮化鎵單晶生長研究進(jìn)展

來源：粉體網(wǎng)