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硅襯底上GaN基LED的研制進展
氮化物半導體材料廣泛用于紫、藍、綠和白光發(fā)光二極管，高密度光學存儲用的紫光激光器，紫外光探測器，以及高功率高頻電子器件。然而由于缺乏合適的襯底，目前高質量的GaN膜通常都生長在藍寶石或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。藍寶石還有硬度*和不導電的缺點。為克服上述缺點，人們在用硅作襯底生長GaN方面一直不斷地進行探索。由于GaN材料的電熒光對晶體缺陷并不敏感，因此人們預期在Si襯底上異質外延生長Ⅲ族氮化物發(fā)光器件在降低成本方面具有明顯的技術優(yōu)勢。
人們還期待使用Si襯底今后還有可能將光發(fā)射器與硅電子學集成起來，將加速和擴大氮化鎵在光電子和微電子方面的應用。
一、用硅作GaN LED襯底的優(yōu)缺點
用硅作GaN發(fā)光二極管（LED）襯底的優(yōu)點主要在于LED的制造成本將大大降低。這是不僅因為Si襯底本身的價格比目前使用的藍寶石和SiC襯底便宜很多，而且可以使用比藍寶石和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MOCVD的利用率，從而提高管芯產(chǎn)率。Si和SiC襯底一樣，也是導電襯底，電極可以從管芯的兩側引出，而不必象不導電的藍寶石那樣必須都從一側引出，這樣不但可以減少管芯面積還可以省去對GaN外延層的干法腐蝕步驟。同時由于硅的硬度比藍寶石和SiC低，因此使用LSI加工中使用的通用切割設備就可以切出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電氣公司的估計使用硅襯底制作藍光GaNLED的制造成本將比藍寶石襯底和SiC襯底低90%,預期在需要低功率發(fā)射器方面將獲得應用。
然而與藍寶石和SiC相比，在Si襯底上生長GaN更為困難。因為這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)差別將導致GaN膜出現(xiàn)龜裂，晶格常數(shù)差會在 GaN外延層中造成高的位錯密度。GaNLED還可以因為Si與GaN之間有0.5V的異質勢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果。