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硅襯底上GaN基LED的研制進(jìn)展
氮化物半導(dǎo)體材料廣泛用于紫、藍(lán)、綠和白光發(fā)光二極管，高密度光學(xué)存儲(chǔ)用的紫光激光器，紫外光探測(cè)器，以及高功率高頻電子器件。然而由于缺乏合適的襯底，目前高質(zhì)量的GaN膜通常都生長(zhǎng)在藍(lán)寶石或SiC襯底上，但是這兩種襯底部都比較昂貴，尤其是碳化硅，而且尺寸都比較小。藍(lán)寶石還有硬度*和不導(dǎo)電的缺點(diǎn)。為克服上述缺點(diǎn)，人們?cè)谟霉枳饕r底生長(zhǎng)GaN方面一直不斷地進(jìn)行探索。由于GaN材料的電熒光對(duì)晶體缺陷并不敏感，因此人們預(yù)期在Si襯底上異質(zhì)外延生長(zhǎng)Ⅲ族氮化物發(fā)光器件在降低成本方面具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
人們還期待使用Si襯底今后還有可能將光發(fā)射器與硅電子學(xué)集成起來，將加速和擴(kuò)大氮化鎵在光電子和微電子方面的應(yīng)用。
一、用硅作GaN LED襯底的優(yōu)缺點(diǎn)
用硅作GaN發(fā)光二極管（LED）襯底的優(yōu)點(diǎn)主要在于LED的制造成本將大大降低。這是不僅因?yàn)镾i襯底本身的價(jià)格比目前使用的藍(lán)寶石和SiC襯底便宜很多，而且可以使用比藍(lán)寶石和SiC襯底的尺寸更大的襯底（例如使用4英寸的Si片襯底）以提高M(jìn)OCVD的利用率，從而提高管芯產(chǎn)率。Si和SiC襯底一樣，也是導(dǎo)電襯底，電極可以從管芯的兩側(cè)引出，而不必象不導(dǎo)電的藍(lán)寶石那樣必須都從一側(cè)引出，這樣不但可以減少管芯面積還可以省去對(duì)GaN外延層的干法腐蝕步驟。同時(shí)由于硅的硬度比藍(lán)寶石和SiC低，因此使用LSI加工中使用的通用切割設(shè)備就可以切出LED芯片，節(jié)省了管芯生產(chǎn)成本。此外，由于目前 CaAs工業(yè)正從4英寸過渡到6英寸，淘汰下來的4英寸工藝線，正好可以用在硅襯底的GaNLED生產(chǎn)上。據(jù)日本Sanken電氣公司的估計(jì)使用硅襯底制作藍(lán)光GaNLED的制造成本將比藍(lán)寶石襯底和SiC襯底低90%,預(yù)期在需要低功率發(fā)射器方面將獲得應(yīng)用。
然而與藍(lán)寶石和SiC相比，在Si襯底上生長(zhǎng)GaN更為困難。因?yàn)檫@兩者之間的熱失配和晶格失配更大。硅與GaN的熱膨脹系數(shù)差別將導(dǎo)致GaN膜出現(xiàn)龜裂，晶格常數(shù)差會(huì)在 GaN外延層中造成高的位錯(cuò)密度。GaNLED還可以因?yàn)镾i與GaN之間有0.5V的異質(zhì)勢(shì)壘而使開啟電壓升高以及晶體完整性差造成P-型摻雜效率低，導(dǎo)致串聯(lián)增大。使用Si襯底的另一不利之處是，硅吸收可見光會(huì)降低LED的外量子效率。盡管如此自1998年以來在硅上氮化鎵LED方面已經(jīng)取得了不少令人興奮的結(jié)果。