gan衬底技术进展

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1、GaN衬底技术的新进展及应用2010/6/11/10:50來源：半导体照明以GaN为代表的第三代半导体材料是近十儿年來国际上倍受重视的新型半导体材料,在白光LED、短波长激光器、紫外探测器以及高温大功率器件中具有广泛的应用前景。然而，由于GaN特殊的稳定性(熔点2791K，融解压4.5GPa)，自然界缺乏天然的GaN体单晶材料，当前的主要工作都是在蓝宝石、SiC、Si等衬底上异质外延进行的。由于GaN与衬底间的晶格失配和热失配，导致异质外延GaN薄膜中具有高的位错密度，位错会形成非辐射复合中心和光散射中心，大大降低光电子器件的发光效率。另外，异质外延也给器件带来了一些别的闷题，如解理W难、散热

2、性差等。因而开发适合规模制造的GaN衬底材料工艺对发展GaN半导体器件产业至关重要。毫无疑问，单晶GaN衬底是满足GaN在激光二极管、白光LED、大功率晶体管等性能进一步提高的关键。世界许多大公司和研究机构在GaN衬底技术方面投入巨大的人力和物力进行研宂，多家单位已经宣称获得了GaN基板。在商川GaN衬底的供应方面，目前有曰本的住友电Z~C(SumitomoElectric)、口立电缆(HitachiCable)、三蕃化学(Mitsubishi)、古河金属机械(Furukawa)、美国的Cree、Kyma、TDI、波兰的TopGaN以及法国的Lumilog等公司可提供，但生产规模都很小，价格也

3、高达儿千美元/片，目前主要用于激光二极管的生产，其价格只有接近蓝宝石衬底价格，才有机会大规模用于发光二极管之生产制造。在GaN衬底生长技术中，氢化物气相外延(HVPE)以其高生长速率(可以达到800gm/h以上)、低成本、可大面积生长和均匀性好等优点，成为GaN衬底获得突破的首选，目前绝大多数研宂工作都集中于此。HVPE生长GaN衬底，通常是在蓝宝石或砷化镓等衬底上外延0.5〜1mm的厚膜，然后再以激光剥离、研磨或蚀刻等方式将衬底移除，最后将获得的GaN抛光形成所谓的自支撑GaN衬底。然而，由于存在异质外延过程，GaN外延厚膜与所用衬底间的晶格失配和热失配，造成了外延膜碎裂、翘曲等，这些问题导

4、致了成品率低卜，是目前GaN衬底价格昂贵的主要原因。一般的外延GaN厚膜的位错密度在106〜107cm-2量级，当前，德国Aixtmn公司采用垂直HVPE法进行GaN梨晶生长，获得了直径2英寸，高7cm的梨晶体，缺陷坑密度力5xl05cm-2,而且越向根部晶体质量越好，最低可达到104cm-2o更厚的梨形晶体不仅可产出更多的晶片，还能进一步减少材料的缺陷密度，因此利用梨晶切片是未來制备高质量GaN衬底的首选之一。近W年來，氨热法(ammonothermalmethod)在制备大尺寸GaN体单晶研究方面取得了突破性进展，打破了晶体尺寸限制，大有在未來儿年内取代HVPE技术之势。美国UCSB在过饱

5、和的鉍气环境中成功获得了厘米量级的大块GaN晶体，位错密度小于lxl06cm-2,曰本大阪大学首次使川氨热法制备出2英、？GaN衬底，他们添加碳在反应炉巾，有效降低了多晶的形成，该2英、4mm厚GaN位错密度力2.3><105cm-2。最近，波兰Ammono公司也报道了利用鉍热法生长的2英寸GaN晶体(图1),位错密度低于5xl04cm-2,(0002)双晶结果仅为15arcsec,是目前最好的结果之一。除了上述这两种方法，还有高压生长法(HNPSG)、钠融法(NaFlux)等，但这两种技术对设备和工艺都有苛刻要求，更主要的是H前难以实现大尺寸单晶，无法满足商业化的要求，目前只有少数儿个研究小

6、组还在研究。表1简单给出了各种技术制备GaN单晶的工艺参数和材料指标性能。表1各种GaN单晶生长技术特点与材料性能nr?:於::生长方法高压生长法钠融法気热法氢化物气相外延生长条件Tg:1400〜1500X：P(N2):T2GPaTg:600〜800'CP(N2):5~10MPaTg:400^500*CP(N2):200〜300MPaTg:1000"1050°C常压生长时间100^200h100h170h<10h衬底尺寸12mmX10醐X0.1mm10mmX10mmXO.5mm2inchdiameterX4mm-thick3inchdiameterXlmm-thick双晶(0002)20、30

7、arcsec55arcsec15^50arcmin45"100arcsec位错密度10〜100cm-22X105cm-25X104cm-2105cm-20浓度1018'1019cm-3——<1017cm-3电子浓度5X1019cm-21O16"1O18cm-31018cm-31016cm-3迁移率60cm2/v.s10、100cm2/v.s—>1200crai2/v.s图一氨热法获得的大尺寸GaN