魏同波 段瑞飞 曾一平 王国宏 李晋闽 中国科学院半导体研究所

[导读]以GaN为代表的第三代半导体材料是近十几年来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问题，如解理困难、散热性差等。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。

以GaN为代表的第三代半导体材料是近十几年来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问题，如解理困难、散热性差等。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究，多家单位已经宣称获得了GaN基板。在商用GaN衬底的供应方面，目前有日本的住友电气(Sumitomo Electric)、日立电缆(Hitachi Cable)、三菱化学(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，价格也高达几千美元/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800μm/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，目前绝大多数研究工作都集中于此。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，这些问题导致了成品率低下，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Aixtron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，缺陷坑密度为5×105cm-2，而且越向根部晶体质量越好，最低可达到104cm-2。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来制备高质量GaN衬底的首选之一。 

　　近两年来，氨热法(ammonothermal method)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，大有在未来几年内取代HVPE技术之势。美国UCSB在过饱和的氨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1×106cm-2，日本大阪大学首次使用氨热法制备出2英寸GaN衬底，他们添加碳在反应炉中，有效降低了多晶的形成，该2英寸4mm厚GaN位错密度为2.3×105cm-2。最近，波兰Ammono公司也报道了利用氨热法生长的2英寸GaN晶体(图1)，位错密度低于5×104cm-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(Na Flux)等，但这两种技术对设备和工艺都有苛刻要求，更主要的是目前难以实现大尺寸单晶，无法满足商业化的要求，目前只有少数几个研究小组还在研究。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 

图一 氨热法获得的大尺寸GaN晶体照片

　　除了位错密度外，极化效应是困扰发光二极管、激光二极管等光电子器件的另一个主要问题。当GaN基材料在传统c面衬底上外延时，由于Ga原子和N原子电负性的差异，形成电偶极子，产生了自发极化。另外，晶格失配和热失配而导致的应变引起了压电极化，压电极化对量子阱（MQW）结构的影响更显著。极化效应提高了二维电子气的电子浓度，极大的改善了HEMT等微电子器件的性能，不幸的是，对于LED、LD等光电器件，极化效应则造成了明显的负面影响，它所产生的内建电场引起量子阱中电子和空穴基态波函数分离，导致量子限制斯塔克效应，从而出现辐射复合效率下降、峰值红移等现象，大大限制了GaN基光电器件的大功率化，这在高In含量的绿光和高Al含量的紫外光发射中尤其严重。

　　因而，获得高质量非极性GaN衬底成为了最终解决问题的关键所在，既有效降低了缺陷密度，又去除了极化电场的影响，有可能彻底解决光电器件应用中的难题。此外，非极性GaN基发光器件也比当前的c面发光器件具有其他特性，如宽范围颜色发光、偏振光发射、功耗较低等，其直接发射偏振光的特点可以用作液晶显示屏的背光源，能有效降低偏振滤光片的损耗。因而，非极性GaN衬底的制备成为了一个新的研究热点。近年来，在“蓝光之父”Nakamura（中村修二）的带领下，美国UCSB率先开展了非极性GaN的研究，与日本三菱化学合作，在蓝紫光LD、黄绿光LED等领域取得了一系列突破，随后，美国南卡罗来纳大学、日本罗姆公司、日本日亚公司和美国Cree公司等著名研究机构也加入进来。截至到目前，非极性和半极性GaN衬底上获得的绿光、黄光LED的水平已经超过c面LED当前的水平，见图2所示。

图2 不同波段LED外量子效率的变化 

　　不过非极性GaN衬底的制备难度更大，通常具有高的位错密度和层错密度，严重制约了器件水平的提高。目前主要是用HVPE和氨热法生长的厚c面GaN衬底切割而获得，尺寸受到了限制，梨晶和氨热法成为了获得大尺寸非极性GaN衬底的希望所在。 

　　GaN衬底当前最大的应用属于激光器，以日本日亚、索尼和韩国三星为首的一些大公司借着Blue Ray在高密度DVD存储中的垄断地位，正在大力推进蓝光DVD的商业化，其中Blue Ray所使用的蓝光LD主要使用GaN衬底。这些产品已作为关键部件应用于下一代DVD播放系统中，比如蓝光光盘和HD-DVD。此外，这些激光器也非常适合用于投影显示、高精度印刷和光学传感等领域。然而，在GaN基LED照明领域，因为成本问题，鲜有采用GaN衬底的LED产品报道，目前日本的松下电器成为首家推出采用GaN衬底生产高功率LED的公司。不过，相对于Cree、Nichia等大公司在碳化硅、蓝宝石衬底上成熟的LED器件水平，前者发光效率达到了208lm/W，后者也超过了145lm/W，GaN衬底上白光LED效率要明显偏低，还有很大的上升空间。可以预见，随着GaN衬底技术的逐步成熟，未来五年内，低成本、高质量GaN衬底有望大规模应用于半导体微电子器件和光电子器件等领域。（摘自《半导体照明》杂志2010年总第5期 编辑：maysoong）

（摘自中国半导体照明网http://www.china-led.net）