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氮化镓外延为何不生长在氮化镓衬底上?一个字:难!

2023-08-19 12:50:03 来源:面包芯语

第三代半导体材料拥有硅材料无法比拟的材料性能优势,从决定器件性能的禁带宽度、热导率、击穿电场等特性来看,第三代半导体均比硅材料优秀,因此,第3代半导体的引入可以很好地解决现如今硅材料的不足,改善器件的散热、导通损耗、高温、高频等特性,被誉为光电子和微电子等产业新的发动机。

GaN半导体产业链各环节为:衬底→GaN材料外延→器件设计→器件制造。其中,衬底是整个产业链的基础。


(资料图片)

1.蓝宝石

蓝宝石(α-Al2O3)又称刚玉,是商业应用最为广泛的LED衬底材料,占据着LED衬底市场的绝大份额。在早期使用中蓝宝石衬底就体现了其独特的优势,所生长的GaN薄膜与SiC衬底上生长的薄膜位错密度相当,且蓝宝石使用熔体法技术生长,工艺更成熟,可获得较低成本、较大尺寸、高质量的单晶,适合产业化发展,因此是LED行业应用最早也是最为广泛的衬底材料。

2.碳化硅

碳化硅属于IV-IV族半导体材料,是目前市场占有率仅次于蓝宝石的LED衬底材料。SiC具有多种晶型,可分为三大类:立方型(如3C-SiC)、六角型(如4H-SiC)和菱形(如15R-SiC),绝大部分晶体为3C,4H和6H三种晶型,其中4H,6H-SiC主要用作GaN衬底。

碳化硅非常适合作为LED衬底材料。然而,由于生长高质量、大尺寸SiC单晶难度较大,且SiC为层状结构易于解理,加工性能较差,容易在衬底表面引入台阶状缺陷,影响外延层质量。同尺寸的SiC衬底价格为蓝宝石衬底的几十倍,高昂的价格限制了其大规模应用。

3.单晶硅

硅材料是目前应用最广泛、制备技术最成熟的半导体材料。由于单晶硅材料生长技术成熟度高,容易获得低成本、大尺寸(6—12英寸)、高质量的衬底,可以大大降低LED的造价。并且,由于硅单晶已经大规模应用于微电子领域,使用单晶硅衬底可以实现LED芯片与集成电路的直接集成,有利于LED器件的小型化发展。此外,与目前应用最广泛的LED衬底—–蓝宝石相比,单晶硅在性能上还有一些优势:热导率高、导电性好,可制备垂直结构,更适合大功率LED制备。

[3]任国强等.氮化镓单晶生长研究进展

来源:半导体前沿

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