論氮化物襯底材料的開發

時間：2024-06-22 19:00:07 化學畢業論文

論氮化物襯底材料的開發

寬帶隙的GaN基半導體在短波長發光二極管、激光器和紫外探測器，以及高溫微電子器件方面顯示出廣闊的應用前景；對環保，其還是很適合于環保的材料體系。半導體照明產業發展分類所示的若干主要階段，其每個階段均能形成富有特色的產業鏈。世界各國現在又投入了大量的人力、財力和物力，以期望取得GaN基高功率器件的突破，并且居于此領域的制高點。“氮化物襯底材料與半導體照明的應用前景”文稿介紹了氮化物襯底材料與半導體照明的應用前景的部分內容。
　　 GaN、AlN、InN及其合金等材，是作為新材料的GaN系材料。對襯底材料進行評價要就襯底材料綜合考慮其因素，尋找到更加合適的襯底是發展GaN基技術的重要目標。評價襯底材料要綜合考慮襯底與外延膜的晶格匹配、襯底與外延膜的熱膨脹系數匹配、襯底與外延膜的化學穩定性匹配、材料制備的難易程度及成本的高低的因素。InN的外延襯底材料就現在來講有廣泛應用的。自支撐同質外延襯底的研制對發展自主知識產權的氮化物半導體激光器、大功率高亮度半導體照明用LED，以及高功率微波器件等是很重要的。“氮化物襯底材料的評價因素及研究與開發”文稿介紹了氮化物襯底材料的評價因素及研究與開發的部分內容。

　　氮化物襯底材料與半導體照明的應用前景

　　 GaN是直接帶隙的材料，其光躍遷幾率比間接帶隙的高一個數量級。因此，寬帶隙的GaN基半導體在短波長發光二極管、激光器和紫外探測器，以及高溫微電子器件方面顯示出廣闊的應用前景；對環保，其還是很適合于環保的材料體系。

　　 1994年，日本的Nicha公司在GaN/Ａl2O3上取得突破，1995年，GaN器件第一次實現商品化。1998年，GaN基發光二極管LED市場規模為US$5.0億，2000年，市場規模擴大至US$13億。據權威專家的預計，GaN基LED及其所用的Ａl2O3襯底在國際市場上的市場成長期將達到50年之久。GaN基LED及其所用的Ａl2O3襯底具有獨特的優異物化性能，并且具有長久耐用性。預計，2005年GaN基器件的市場規模將擴大至US$30億，GaN基器件所用的Ａl2O3襯底的市場規模將擴大至US$5億。

　　半導體照明產業發展分類所示的若干主要階段，其每個階段均能形成富有特色的產業鏈：

　　（1）第一階段

　　第一階段（特種照明時代，2005年之前），其中有：儀器儀表指示；金色顯示、室內外廣告；交通燈、信號燈、標致燈、汽車燈；室內長明燈、吊頂燈、變色燈、草坪燈；城市景觀美化的建筑輪廓燈、橋梁、高速公路、隧道導引路燈，等等。

　　（2）第二階段

　　第二階段（照明時代，2005~2010年），其中有：CD、DVD、 H-DVD光存儲；激光金色顯示；娛樂、條型碼、打印、圖像記錄；醫用激光；開拓固定照明新領域，衍生出新的照明產業，為通用照明應用打下基礎，等等。

　　（3）第三階段

　　第三階段（通用照明時代，2010年之后），包括以上二個階段的應用，并且還全面進入通用照明市場，占有30~50%的市場份額。

　　到達目前為止（處于第一階段，特種照明時代），已紛紛將中、低功率藍色發光二極管(LED)、綠色LED、白光LED、藍紫色LED等實現了量產，走向了商業市場。高功率藍色發光二極管(LED)、激光二極管(LD)和全波段InN-GaN等，將會引發新的、　　更加大的商機，例如，光存儲、光通訊等。實現高功率藍色發光二極管(LED)、激光二極管(LD)和全波段InN-GaN實用化，并且達到其商品化，這需要合適的襯底材料。因此，GaN材料及器件發展，需要尋找到與GaN匹配的襯底材料，進一步提高外延膜的質量。

　　另外，就基礎研究和中長期計劃考慮，科技發展越來越需要把不同體系的材料結合到一起，即稱之為異質結材料。應用協變襯底可以將晶格和熱失配的缺陷局限在襯底上，并且為開辟新的材料體系打下基礎。已提出了多種協變襯底的制備技術，例如，自支撐襯底、鍵合和扭曲鍵合、重位晶格過渡層，以及SOI和VTE襯底技術等。預計，在今后的10~20年中，大尺寸的、協變襯底的制備技術將獲得突破，并且廣泛應用于大失配異質結材料生長及其相聯系的光電子器件制造。

　　世界各國現在又投入了大量的人力、財力和物力，并且以期望取得GaN基高功率器件的突破，居于此領域的制高點。

　　氮化物襯底材料的評價因素及研究與開發

　　 GaN、AlN、InN及其合金等材料，是作為新材料的GaN系材料。對襯底材料進行評價，要就襯底材料綜合考慮其因素，尋找到更加合適的襯底是作為發展GaN基技術的重要目標。

　　一、評價襯底材料綜合考慮因素

　　評價襯底材料要綜合考慮以下的幾個因素：

　　（1）襯底與外延膜的晶格匹配

　　襯底材料和外延膜晶格匹配很重要。晶格匹配包含二個內容：

　　 · 外延生長面內的晶格匹配，即在生長界面所在平面的某一方向上襯底與外延膜的匹配；

　　 · 沿襯底表面法線方向上的匹配。

　　（2）襯底與外延膜的熱膨脹系數匹配

　　熱膨脹系數的匹配也很重要，外延膜與襯底材料在熱膨脹系數上相差過大不僅可能使外延膜質量下降，還會在器件工作過程中，由于發熱而造成器件的損壞。

　　（3）襯底與外延膜的化學穩定性匹配

　　襯底材料需要有相當好的化學穩定性，不能因為與外延膜的化學反應使外延膜質量下降。

　　（4）材料制備的難易程度及成本的高低

　　考慮到產業化發展的需要，襯底材料的制備要求簡潔，而且其成本不宜很高。

　　二、InN的外延襯底材料的研究與開發

　　 InN的外延襯底材料就現在來講有廣泛應用的，其中有：InN；α－Al2O3(0001)；6H-SiC；MgAl2O4(111)；LiAlO2和LiGaO2；MgO；Si ；GaAs(111)等。

　　 Ⅲ-Ⅴ族化合物，例如，GaN、AlN、InN，這些材料都有二種結晶形式：一種是立方晶系的閃鋅礦結構，而另一種是六方晶系的纖鋅礦結構。以藍光輻射為中心形成研究熱點的是纖鋅礦結構的氮化鎵、氮化鋁、氮化，而且主要是氮化鎵、氮化鋁、氮化的固溶體。這些材料的禁帶是直接躍遷型，因而有很高的量子效率。用氮化鎵、氮化鋁、氮化這三種材料按不同組份和比例生成的固溶體，其禁帶寬度可在2.2eV到6.2eV之間變化。這樣，用這些固溶體制造發光器件，是光電集成材料和器件發展的方向。

　　（1）InN和GaN

　　因為異質外延氮化物薄膜通常帶來大量的缺陷，缺陷損害了器件的性能。與GaN一樣，如果能在InN上進行同質外延生長，可以大大減少缺陷，那么器件的性能就有巨大的飛躍。

　　自支撐同質外延GaN,AlN和AlGaN襯底是目前最有可能首先獲得實際應用的襯底材料。

　　（2）藍寶石(α-Al2O3)和6H-SiC

　　 α-Al2O3單晶，即藍寶石晶體。(0001)面藍寶石是目前最常用的InN的外延襯底材料。其匹配方向為：InN(001)// α－Al2O3(001),InN[110]// α－Al2O3[100][11,12]。因為襯底表面在薄膜生長前的氮化中變為AlON,InN繞α－Al2O3(0001)襯底的六面形格子結構旋轉30°，這樣其失匹配度就比原來的29%稍有減少。雖然(0001)面藍寶石與InN晶格的失配率高達25%，但是由于其六方對稱，熔點為2050℃，最高工作溫度可達1900℃，具有良好的高溫穩定性和機械力學性能，加之對其研究較多，生產技術較為成熟，而且價格便宜，現在仍然是應用最為廣泛的襯底材料。

　　 6H-SiC作為襯底材料應用的廣泛程度僅次于藍寶石。同藍寶石相比，6H-SiC與InN外延膜的晶格匹配得到改善。此外，6H-SiC具有藍色發光特性，而且為低阻材料，可以制作電極，這就使器件在包裝前對外延膜進行完全測試成為可能，因而增強了6H-SiC作為襯底材料的競爭力。又由于6H-SiC的層狀結構易于解理，襯底與外延膜之間可以獲得高質量的解理面，這將大大簡化器件的結構；但是同時由于其層狀結構，在襯底的表面常有給外延膜引入大量的缺陷的臺階出現。

　　（3）鎂鋁尖晶石(MgAl2O4)

　　 MgAl2O4晶體，即鋁酸鎂晶體。MgAl2O4晶體是高熔點(2130℃)、高硬度（莫氏8級）的晶體材料，屬面心立方晶系，空間群為Fd3m, 晶格常數為0.8085nm。MgAl2O4晶體是優良的傳聲介質材料，在微波段的聲衰減低，用MgAl2O4晶體制作的微波延遲線插入損耗小。MgAl2O4晶體與Si的晶格匹配性能好，其膨脹系數也與Si相近，因而外延Si膜的形變扭曲小，制作的大規模超高速集成電路速度比用藍寶石制作的速度要快。此外，國外又用MgAl2O4晶體作超導材料，有很好的效果。近年來，對MgAl2O4晶體用于GaN的外延襯底材料研究較多。由于MgAl2O4晶體具有良好的晶格匹配和熱膨脹匹配，(111)面MgAl2O4晶體與GaN晶格的失配率為9%，具有優良的熱穩定性和化學穩定性，以及良好的機械力學性能等優點，MgAl2O4晶體目前是GaN較為合適的襯底材料之一，已在MgAl2O4基片上成功地外延出高質量的GaN膜，并且已研制成功藍光LED和LD。此外，MgAl2O4襯底最吸引人之處在于可以通過解理的方法獲得激光腔面。

　　在前面的研究基礎上，近來把MgAl2O4晶體用作InN的外延襯底材料的研究也陸續見之于文獻報道。其之間的匹配方向為：InN(001)//MgAl2O4(111)，InN[110]//MgAl2O4[100]，InN繞MgAl2O4(111)襯底的四方、六方形格子結構旋轉30°。研究表明(111)面MgAl2O4晶體與InN晶格的失配率為15%，晶格匹配性能要大大優于藍寶石，(0001)面藍寶石與InN晶格的失配率高達25%。而且，如果位于頂層氧原子層下面的鎂原子占據有效的配位晶格位置，以及氧格位，那么這樣可以有希望將晶格失配率進一步降低至7%，這個數字要遠遠低于藍寶石。所以MgAl2O4晶體是很有發展潛力的InN的外延襯底材料。

　　（4）LiAlO2和LiGaO2

　　以往的研究是把LiAlO2 和LiGaO2用作GaN的外延襯底材料。LiAlO2 和LiGaO2與GaN的外延膜的失配度相當小，這使得LiAlO2 和LiGaO2成為相當合適的GaN的外延襯底材料。同時LiGaO2作為GaN的外延襯底材料,還有其獨到的優點：外延生長GaN后，LiGaO2襯底可以被腐蝕，剩下GaN外延膜，這將極大地方便了器件的制作。但是由于LiGaO2晶體中的鋰離子很活潑，在普通的外延生長條件下（例如，MOCVD法的化學氣氛和生長溫度）不能穩定存在，故其單晶作為GaN的外延襯底材料還有待于進一步研究。而且在目前也很少把LiAlO2和LiGaO2用作InN的外延襯底材料。

　　（5）MgO

　　 MgO晶體屬立方晶系，是NaCl型結構，熔點為2800℃。因為MgO晶體在MOCVD氣氛中不夠穩定，所以對其使用少，特別是對于熔點和生長溫度更高的InN薄膜。

　　（6）GaAs

　　 GaAs(111)也是目前生長InN薄膜的襯底材料。襯底的氮化溫度低于700℃時，生長InN薄膜的厚度小于0.05μm時，InN薄膜為立方結構，當生長InN薄膜的厚度超過0.2μm時，立方結構消失，全部轉變為六方結構的InN薄膜。InN薄膜在GaAs(111)　　　　　襯底上的核化方式與在α－Al2O3(001)襯底上的情況有非常大的差別，InN薄膜在GaAs(111)襯底上的核化方式沒有在白寶石襯底上生長InN薄膜時出現的柱狀、纖維狀結構，表面上顯現為非常平整。

　　（7）Si

　　單晶Si，是應用很廣的半導體材料。以Si作為InN襯底材料是很引起注意的，因為有可能將InN基器件與Si器件集成。此外，Si技術在半導體工業中已相當的成熟。可以想象，如果在Si的襯底上能生長出器件質量的InN外延膜，這樣則將大大簡化InN基器件的制作工藝，減小器件的大小。

　　（8）ZrB2

　　 ZrB2是2001年日本科學家首次提出用于氮化物外延新型襯底。ZrB2與氮化物晶格匹配，而且其具有匹配的熱膨脹系數和高的電導率。主要用助熔劑法和浮區法生長。

　　自支撐同質外延襯底的研制對發展自主知識產權的氮化物半導體激光器、大功率高亮度半導體照明用LED，以及高功率微波器件等是很重要的。

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