第三代半導體材料擁有硅材料無(wú)法比擬的材料性能優(yōu)勢，從決定器件性能的禁帶寬度、熱導率、擊穿電場(chǎng)等特性來(lái)看，第三代半導體均比硅材料優(yōu)秀，因此，第三代半導體的引入可以很好地解決現如今硅材料的不足，改善器件的散熱、導通損耗、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。
其中，GaN具有廣泛的應用性，被認為是繼硅之后最重要的半導體材料之一。GaN功率器件同當前廣泛應用的硅基功率器件相比，具有更高的臨界電場(chǎng)強度，更低的開(kāi)態(tài)電阻，更快的開(kāi)關(guān)頻率，可以實(shí)現更高的系統效率以及在高溫下工作。
同質(zhì)外延的難處
GaN半導體產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節為：襯底→GaN材料外延→器件設計→器件制造。其中，襯底是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的基礎。
作為襯底，GaN自然是最適合用來(lái)作為GaN外延膜生長(cháng)的襯底材料。同質(zhì)外延生長(cháng)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(cháng)過(guò)程中由于材料之間性質(zhì)差異所引起的應力降到最低，能夠生長(cháng)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(cháng)出高質(zhì)量的氮化鎵外延片，其內部缺陷密度可以降到以藍寶石為襯底的外延片的千分之一，可以有效的降低LED的結溫，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！相對于常規半導體材料，GaN單晶的生長(cháng)進(jìn)展緩慢，晶體難以長(cháng)大且成本高昂。
GaN的首次合成是在1932年，當時(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6GPa，當前的生長(cháng)裝備很難在GaN熔點(diǎn)時(shí)承受如此高的壓力，因此傳統熔體法無(wú)法用于GaN單晶的生長(cháng)，所以只能選擇在其他襯底上進(jìn)行異質(zhì)外延生長(cháng)。當前的GaN基器件主要基于異質(zhì)襯底(硅、碳化硅、藍寶石等)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)外延器件的應用。
幾種襯底材料
藍寶石
藍寶石(α-Al2O3)又稱(chēng)剛玉，是商業(yè)應用最為廣泛的LED襯底材料，占據著(zhù)LED襯底市場(chǎng)的絕大份額。在早期使用中藍寶石襯底就體現了其獨特的優(yōu)勢，所生長(cháng)的GaN薄膜與SiC襯底上生長(cháng)的薄膜位錯密度相當，且藍寶石使用熔體法技術(shù)生長(cháng)，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族半導體材料，是目前市場(chǎng)占有率僅次于藍寶石的LED襯底材料。SiC具有多種晶型，可分為三大類(lèi)：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(cháng)ED襯底材料。然而，由于生長(cháng)高質(zhì)量、大尺寸SiC單晶難度較大，且SiC為層狀結構易于解理，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(jià)格為藍寶石襯底的幾十倍，高昂的價(jià)格限制了其大規模應用。
單晶硅
硅材料是目前應用最廣泛、制備技術(shù)最成熟的半導體材料。由于單晶硅材料生長(cháng)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)大規模應用于微電子領(lǐng)域，使用單晶硅襯底可以實(shí)現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，與目前應用最廣泛的LED襯底-藍寶石相比，單晶硅在性能上還有一些優(yōu)勢：熱導率高、導電性好，可制備垂直結構，更適合大功率LED制備。
小結
近年來(lái)市場(chǎng)對GaN器件性能提出了越來(lái)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(cháng)壽命高功率激光器的位錯密度不能超過(guò)105cm-2量級。由于異質(zhì)外延的眾所周知的缺點(diǎn)，例如晶格失配，熱膨脹系數不匹配導致的高位錯密度、鑲嵌晶體結構、雙軸應力及晶圓翹曲，使得器件的性能受到襯底結構質(zhì)量的顯著(zhù)限制。顯而易見(jiàn)，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代半導體氮化鎵功率器件的發(fā)展現狀和展望
[3]任國強等.氮化鎵單晶生長(cháng)研究進(jìn)展
來(lái)源：粉體網(wǎng)