- 相關(guān)推薦
論氮化物襯底材料的開(kāi)發(fā)
寬帶隙的GaN基半導(dǎo)體在短波長(zhǎng)發(fā)光二極管、激光器和紫外探測(cè)器,以及高溫微電子器件方面顯示出廣闊的應(yīng)用前景;對(duì)環(huán)保,其還是很適合于環(huán)保的材料體系。半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展分類所示的若干主要階段,其每個(gè)階段均能形成富有特色的產(chǎn)業(yè)鏈。世界各國(guó)現(xiàn)在又投入了大量的人力、財(cái)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(lǐng)域的制高點(diǎn)。“氮化物襯底材料與半導(dǎo)體照明的應(yīng)用前景”文稿介紹了氮化物襯底材料與半導(dǎo)體照明的應(yīng)用前景的部分內(nèi)容。
GaN、AlN、InN及其合金等材,是作為新材料的GaN系材料。對(duì)襯底材料進(jìn)行評(píng)價(jià)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(fā)展GaN基技術(shù)的重要目標(biāo)。評(píng)價(jià)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(shù)匹配、襯底與外延膜的化學(xué)穩(wěn)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(xiàn)在來(lái)講有廣泛應(yīng)用的。自支撐同質(zhì)外延襯底的研制對(duì)發(fā)展自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的氮化物半導(dǎo)體激光器、大功率高亮度半導(dǎo)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(píng)價(jià)因素及研究與開(kāi)發(fā)”文稿介紹了氮化物襯底材料的評(píng)價(jià)因素及研究與開(kāi)發(fā)的部分內(nèi)容。
氮化物襯底材料與半導(dǎo)體照明的應(yīng)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(gè)數(shù)量級(jí)。因此,寬帶隙的GaN基半導(dǎo)體在短波長(zhǎng)發(fā)光二極管、激光器和紫外探測(cè)器,以及高溫微電子器件方面顯示出廣闊的應(yīng)用前景;對(duì)環(huán)保,其還是很適合于環(huán)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(shí)現(xiàn)商品化。1998年,GaN基發(fā)光二極管LED市場(chǎng)規(guī)模為US$5.0億,2000年,市場(chǎng)規(guī)模擴(kuò)大至US$13億。據(jù)權(quán)威專家的預(yù)計(jì),GaN基LED及其所用的Al2O3襯底在國(guó)際市場(chǎng)上的市場(chǎng)成長(zhǎng)期將達(dá)到50年之久。GaN基LED及其所用的Al2O3襯底具有獨(dú)特的優(yōu)異物化性能,并且具有長(zhǎng)久耐用性。預(yù)計(jì),2005年GaN基器件的市場(chǎng)規(guī)模將擴(kuò)大至US$30億,GaN基器件所用的Al2O3襯底的市場(chǎng)規(guī)模將擴(kuò)大至US$5億。
半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展分類所示的若干主要階段,其每個(gè)階段均能形成富有特色的產(chǎn)業(yè)鏈:
(1)第一階段
第一階段(特種照明時(shí)代,2005年之前),其中有:儀器儀表指示;金色顯示、室內(nèi)外廣告;交通燈、信號(hào)燈、標(biāo)致燈、汽車燈;室內(nèi)長(zhǎng)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(dǎo)引路燈,等等。
(2)第二階段
第二階段(照明時(shí)代,2005~2010年),其中有:CD、DVD、 H-DVD光存儲(chǔ);激光金色顯示;娛樂(lè)、條型碼、打印、圖像記錄;醫(yī)用激光;開(kāi)拓固定照明新領(lǐng)域,衍生出新的照明產(chǎn)業(yè),為通用照明應(yīng)用打下基礎(chǔ),等等。
(3)第三階段
第三階段(通用照明時(shí)代,2010年之后),包括以上二個(gè)階段的應(yīng)用,并且還全面進(jìn)入通用照明市場(chǎng),占有30~50%的市場(chǎng)份額。
到達(dá)目前為止(處于第一階段,特種照明時(shí)代),已紛紛將中、低功率藍(lán)色發(fā)光二極管(LED)、綠色LED、白光LED、藍(lán)紫色LED等實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn),走向了商業(yè)市場(chǎng)。高功率藍(lán)色發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)和全波段InN-GaN等,將會(huì)引發(fā)新的、 更加大的商機(jī),例如,光存儲(chǔ)、光通訊等。實(shí)現(xiàn)高功率藍(lán)色發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)和全波段InN-GaN實(shí)用化,并且達(dá)到其商品化,這需要合適的襯底材料。因此,GaN材料及器件發(fā)展,需要尋找到與GaN匹配的襯底材料,進(jìn)一步提高外延膜的質(zhì)量。
另外,就基礎(chǔ)研究和中長(zhǎng)期計(jì)劃考慮,科技發(fā)展越來(lái)越需要把不同體系的材料結(jié)合到一起,即稱之為異質(zhì)結(jié)材料。應(yīng)用協(xié)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(kāi)辟新的材料體系打下基礎(chǔ)。已提出了多種協(xié)變襯底的制備技術(shù),例如,自支撐襯底、鍵合和扭曲鍵合、重位晶格過(guò)渡層,以及SOI和VTE襯底技術(shù)等。預(yù)計(jì),在今后的10~20年中,大尺寸的、協(xié)變襯底的制備技術(shù)將獲得突破,并且廣泛應(yīng)用于大失配異質(zhì)結(jié)材料生長(zhǎng)及其相聯(lián)系的光電子器件制造。
世界各國(guó)現(xiàn)在又投入了大量的人力、財(cái)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(lǐng)域的制高點(diǎn)。
氮化物襯底材料的評(píng)價(jià)因素及研究與開(kāi)發(fā)
GaN、AlN、InN及其合金等材料,是作為新材料的GaN系材料。對(duì)襯底材料進(jìn)行評(píng)價(jià),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(fā)展GaN基技術(shù)的重要目標(biāo)。
一、評(píng)價(jià)襯底材料綜合考慮因素
評(píng)價(jià)襯底材料要綜合考慮以下的幾個(gè)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(gè)內(nèi)容:
· 外延生長(zhǎng)面內(nèi)的晶格匹配,即在生長(zhǎng)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(shù)匹配
熱膨脹系數(shù)的匹配也很重要,外延膜與襯底材料在熱膨脹系數(shù)上相差過(guò)大不僅可能使外延膜質(zhì)量下降,還會(huì)在器件工作過(guò)程中,由于發(fā)熱而造成器件的損壞。
(3)襯底與外延膜的化學(xué)穩(wěn)定性匹配
襯底材料需要有相當(dāng)好的化學(xué)穩(wěn)定性,不能因?yàn)榕c外延膜的化學(xué)反應(yīng)使外延膜質(zhì)量下降。
(4)材料制備的難易程度及成本的高低
考慮到產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的需要,襯底材料的制備要求簡(jiǎn)潔,而且其成本不宜很高。
二、InN的外延襯底材料的研究與開(kāi)發(fā)
InN的外延襯底材料就現(xiàn)在來(lái)講有廣泛應(yīng)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(jié)晶形式:一種是立方晶系的閃鋅礦結(jié)構(gòu),而另一種是六方晶系的纖鋅礦結(jié)構(gòu)。以藍(lán)光輻射為中心形成研究熱點(diǎn)的是纖鋅礦結(jié)構(gòu)的氮化鎵、氮化鋁、氮化銦,而且主要是氮化鎵、氮化鋁、氮化銦的固溶體。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、氮化銦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(fā)光器件,是光電集成材料和器件發(fā)展的方向。
(1)InN和GaN
因?yàn)楫愘|(zhì)外延氮化物薄膜通常帶來(lái)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(jìn)行同質(zhì)外延生長(zhǎng),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(zhì)外延GaN,AlN和AlGaN襯底是目前最有可能首先獲得實(shí)際應(yīng)用的襯底材料。
(2)藍(lán)寶石(α-Al2O3)和6H-SiC
α-Al2O3單晶,即藍(lán)寶石晶體。(0001)面藍(lán)寶石是目前最常用的InN的外延襯底材料。其匹配方向?yàn)椋篒nN(001)// α-Al2O3(001),InN[110]// α-Al2O3[100][11,12]。因?yàn)橐r底表面在薄膜生長(zhǎng)前的氮化中變?yōu)锳lON,InN繞α-Al2O3(0001)襯底的六面形格子結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)30°,這樣其失匹配度就比原來(lái)的29%稍有減少。雖然(0001)面藍(lán)寶石與InN晶格的失配率高達(dá)25%,但是由于其六方對(duì)稱,熔點(diǎn)為2050℃,最高工作溫度可達(dá)1900℃,具有良好的高溫穩(wěn)定性和機(jī)械力學(xué)性能,加之對(duì)其研究較多,生產(chǎn)技術(shù)較為成熟,而且價(jià)格便宜,現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最為廣泛的襯底材料。
6H-SiC作為襯底材料應(yīng)用的廣泛程度僅次于藍(lán)寶石。同藍(lán)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(lán)色發(fā)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(duì)外延膜進(jìn)行完全測(cè)試成為可能,因而增強(qiáng)了6H-SiC作為襯底材料的競(jìng)爭(zhēng)力。又由于6H-SiC的層狀結(jié)構(gòu)易于解理,襯底與外延膜之間可以獲得高質(zhì)量的解理面,這將大大簡(jiǎn)化器件的結(jié)構(gòu);但是同時(shí)由于其層狀結(jié)構(gòu),在襯底的表面常有給外延膜引入大量的缺陷的臺(tái)階出現(xiàn)。
(3)鎂鋁尖晶石(MgAl2O4)
MgAl2O4晶體,即鋁酸鎂晶體。MgAl2O4晶體是高熔點(diǎn)(2130℃)、高硬度(莫氏8級(jí))的晶體材料,屬面心立方晶系,空間群為Fd3m, 晶格常數(shù)為0.8085nm。MgAl2O4晶體是優(yōu)良的傳聲介質(zhì)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(shù)也與Si相近,因而外延Si膜的形變扭曲小,制作的大規(guī)模超高速集成電路速度比用藍(lán)寶石制作的速度要快。此外,國(guó)外又用MgAl2O4晶體作超導(dǎo)材料,有很好的效果。近年來(lái),對(duì)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(yōu)良的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性,以及良好的機(jī)械力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn),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(zhì)量的GaN膜,并且已研制成功藍(lán)光LED和LD。此外,MgAl2O4襯底最吸引人之處在于可以通過(guò)解理的方法獲得激光腔面。
在前面的研究基礎(chǔ)上,近來(lái)把MgAl2O4晶體用作InN的外延襯底材料的研究也陸續(xù)見(jiàn)之于文獻(xiàn)報(bào)道。其之間的匹配方向?yàn)椋篒nN(001)//MgAl2O4(111),InN[110]//MgAl2O4[100],InN繞MgAl2O4(111)襯底的四方、六方形格子結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)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(yōu)于藍(lán)寶石,(0001)面藍(lán)寶石與InN晶格的失配率高達(dá)25%。而且,如果位于頂層氧原子層下面的鎂原子占據(jù)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(jìn)一步降低至7%,這個(gè)數(shù)字要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于藍(lán)寶石。所以MgAl2O4晶體是很有發(fā)展?jié)摿Φ腎nN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(dāng)小,這使得LiAlO2 和LiGaO2成為相當(dāng)合適的GaN的外延襯底材料。同時(shí)LiGaO2作為GaN的外延襯底材料,還有其獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn):外延生長(zhǎng)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(zhǎng)條件下(例如,MOCVD法的化學(xué)氣氛和生長(zhǎng)溫度)不能穩(wěn)定存在,故其單晶作為GaN的外延襯底材料還有待于進(jìn)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(jié)構(gòu),熔點(diǎn)為2800℃。因?yàn)镸gO晶體在MOCVD氣氛中不夠穩(wěn)定,所以對(duì)其使用少,特別是對(duì)于熔點(diǎn)和生長(zhǎng)溫度更高的InN薄膜。
(6)GaAs
GaAs(111)也是目前生長(zhǎng)InN薄膜的襯底材料。襯底的氮化溫度低于700℃時(shí),生長(zhǎng)InN薄膜的厚度小于0.05μm時(shí),InN薄膜為立方結(jié)構(gòu),當(dāng)生長(zhǎng)InN薄膜的厚度超過(guò)0.2μm時(shí),立方結(jié)構(gòu)消失,全部轉(zhuǎn)變?yōu)榱浇Y(jié)構(gòu)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?jīng)]有在白寶石襯底上生長(zhǎng)InN薄膜時(shí)出現(xiàn)的柱狀、纖維狀結(jié)構(gòu),表面上顯現(xiàn)為非常平整。
(7)Si
單晶Si,是應(yīng)用很廣的半導(dǎo)體材料。以Si作為InN襯底材料是很引起注意的,因?yàn)橛锌赡軐nN基器件與Si器件集成。此外,Si技術(shù)在半導(dǎo)體工業(yè)中已相當(dāng)?shù)某墒臁?梢韵胂,如果在Si的襯底上能生長(zhǎng)出器件質(zhì)量的InN外延膜,這樣則將大大簡(jiǎn)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(xué)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(shù)和高的電導(dǎo)率。主要用助熔劑法和浮區(qū)法生長(zhǎng)。
自支撐同質(zhì)外延襯底的研制對(duì)發(fā)展自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的氮化物半導(dǎo)體激光器、大功率高亮度半導(dǎo)體照明用LED,以及高功率微波器件等是很重要的。
【論氮化物襯底材料的開(kāi)發(fā)】相關(guān)文章:
論拼貼畫中材料的開(kāi)發(fā)12-05
展望論貴州鄉(xiāng)村旅游的開(kāi)發(fā)01-08
論給材料以藝術(shù)生命03-01
論地方文獻(xiàn)的開(kāi)發(fā)與資源共享03-20
論企業(yè)的軟資源及其開(kāi)發(fā)構(gòu)建03-19
論西部大開(kāi)發(fā)中的西部館躲資源開(kāi)發(fā)03-21