第3代半導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、熱導率、擊穿電場等特性來看，第3代半導體均比硅材料優(yōu)秀，因此，第3代半導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強度，更低的開態(tài)電阻，更快的開關頻率，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半導體產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)為：襯底→GaN材料外延→器件設計→器件制造。其中，襯底是整個產(chǎn)業(yè)鏈的基礎。

 

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)半導體材料，GaN單晶的生長進展緩慢，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6GPa，當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行異質(zhì)外延生長。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)又稱剛玉，是商業(yè)應用最為廣泛的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，且藍寶石使用熔體法技術生長，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：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襯底價格為藍寶石襯底的幾十倍，高昂的價格限制了其大規(guī)模應用。

 

單晶硅

 

硅材料是目前應用最廣泛、制備技術最成熟的半導體材料。由于單晶硅材料生長技術成熟度高，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)模應用于微電子領域，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(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)不匹配導致的高位錯密度、鑲嵌晶體結(jié)構(gòu)、雙軸應力及晶圓翹曲，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展

[2]曹峻松等.第3代半導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展

來源：粉體網(wǎng)

本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號寬禁帶半導體技術創(chuàng)新聯(lián)盟，不做商業(yè)用途，只作新聞參考