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一粒金砂(高级)

氮化镓衬底生产技术和设备 [复制链接]

缺乏氮化镓衬底是阻碍氮化物研究的主要困难之一,也是造成氮化镓发光器件进展目前再次停顿的根本原因!虽然有人从高压熔体中得到了单晶氮化镓体材料,但尺寸很小,无法使用,目前主要是在蓝宝石、硅、碳化硅衬底上生长。虽然在蓝宝石衬底上可以生产出中低档氮化镓发光二极管产品,但高档产品只能在氮化镓衬底上生产。目前只有日本几家公司能够提供氮化镓衬底,价格奇贵,一片2英寸衬底价格约1万美元,这些衬底全部由HVPE(氢化物气相外延)生产。

HVPE是二十世纪六七十年代的技术,由于它生长速率很快(一分钟一微米以上),不能生长量子阱、超晶格等结构材料,在八十年代被MOCVD、MBE等技术淘汰。然而,恰是由于它生长速率快,可以生长氮化镓衬底,这种技术又在“死灰复燃”并受到重视。可以断定,氮化镓衬底肯定会继续发展并形成产业化,HVPE技术必然会重新受到重视。与高压提拉法相比,HVPE方法更有望生产出可实用化的氮化镓衬底。不过国际上目前还没有商品化的设备出售。

目前国内外研究氮化镓衬底是用MOCVD和HVPE两台设备分开进行的。即先用MOCVD生长0.1~1微米的结晶层,再用HVPE生长约300微米的氮化镓衬底层,最后将原衬底剥离、抛光等。由于生长一个衬底需要在两个生长室中分两次生长,需要降温、生长停顿、取出等过程,这样不可避免地会出现以下问题:①样品表面粘污;②生长停顿、降温造成表面再构,影响下次生长。

今后研发的重点仍是寻找合适的生长方法,大幅度降低其成本。

 

2) Al2O3衬底

 

目前用于氮化镓生长的最普遍的衬底是Al2O3,其优点是化学稳定性好、不吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟;不足方面虽然很多,但均一一被克服,如很大的晶格失配被过渡层生长技术所克服,导电性能差通过同侧P、N电极所克服,机械性能差不易切割通过激光划片所克服,很大的热失配对外延层形成压应力因而不会龟裂。但是,差的导热性在器件小电流工作下没有暴露出明显不足,却在功率型器件大电流工作下问题十分突出。

国内外Al2O3衬底今后的研发任务是生长大直径的Al2O3单晶,向4-6英吋方向发展,以及降低杂质污染和提高表面抛光质量。

 

3)SiC衬底

 

除了Al2O3衬底外,目前用于氮化镓生长衬底就是SiC,它在市场上的占有率位居第二,目前还未有第三种衬底用于氮化镓LED的商业化生产。它有许多突出的优点,如化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等,但不足方面也很突出,如价格太高、晶体质量难以达到Al2O3和Si那么好、机械加工性能比较差。 另外,SiC衬底吸收380 nm以下的紫外光,不适合用来研发380 nm以下的紫外LED。由于SiC衬底优异的的导电性能和导热性能,不需要象Al2O3衬底上功率型氮化镓LED器件采用倒装焊技术解决散热问题,而是采用上下电极结构,可以比较好的解决功率型氮化镓LED器件的散热问题,故在发展中的半导体照明技术领域占有重要地位。

目前国际上能提供商用的高质量的SiC衬底的厂家只有美国CREE公司。国内外SiC衬底今后研发的任务是大幅度降低制造成本和提高晶体结晶质量。

 

4)Si衬底

 

在硅衬底上制备发光二极管是本领域里梦寐以求的一件事情,因为一旦技术获得突破,外延生长成本和器件加工成本将大幅度下降。Si片作为GaN材料的衬底有许多优点,如晶体质量高,尺寸大,成本低,易加工,良好的导电性、导热性和热稳定性等。然而,由于GaN外延层与Si衬底之间存在巨大的晶格失配和热失配,以及在GaN的生长过程中容易形成非晶氮化硅,所以在Si 衬底上很难得到无龟裂及器件级质量的GaN材料。另外,由于硅衬底对光的吸收严重,LED出光效率低。

目前国外文献报导的硅衬底上蓝光LED光功率最好水平是420mW,是德国Magdeburg大学研制的。日本Nagoya技术研究所今年在上海国际半导体照明论坛上报道的硅衬底上蓝光LED光输出功率为18 mW。

 

5)ZnO衬底

 

之所以ZnO作为GaN外延的候选衬底,是因为他们两者具有非常惊人的相似之处。两者晶体结构相同、晶格失配度非常小,禁带宽度接近(能带不连续值小,接触势垒小)。但是,ZnO作为GaN外延衬底的致命的弱点是在GaN外延生长的温度和气氛中容易分解和被腐蚀。目前,ZnO半导体材料尚不能用来制造光电子器件或高温电子器件,主要是材料质量达不到器件水平和P型掺杂问题没有真正解决,适合ZnO基半导体材料生长的设备尚未研制成功。今后研发的重点是寻找合适的生长方法。

但是,ZnO本身是一种有潜力的发光材料。 ZnO的禁带宽度为3.37 eV,属直接带隙,和GaN、SiC、金刚石等宽禁带半导体材料相比,它在380 nm附近紫光波段发展潜力最大,是高效紫光发光器件、低阈值紫光半导体激光器的候选材料。这是因为,ZnO的激子束缚能高达60 meV,比其他半导体材料高得多(GaN为26 meV),因而具有比其他材料更高的发光效率。

另外ZnO材料的生长非常安全,可以采用没有任何毒性的水为氧源,用有机金属锌为锌源。因而,今后ZnO材料的生产是真正意义上的绿色生产,原材料锌和水资源丰富、价格便宜,有利于大规模生产和持续发展。

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