節(jié)能新材料之半導(dǎo)體照明介紹

1、 HYPERLINK 節(jié)能新材料之半導(dǎo)體照明氮化物襯底材料氮化物襯底材料的研究與開發(fā)增大字體復(fù)位寬帶隙的GaN基半導(dǎo)體在短波長發(fā)光二極管、激光器和紫外探測(cè)器，以及高溫微電子器件方面顯示出廣闊的應(yīng)用前景；對(duì)環(huán)保，其還是很適合于環(huán)保的材料體系。半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展分類所示的若干主要階段，其每個(gè)階段均能形成富有特色的產(chǎn)業(yè)鏈。世界各國現(xiàn)在又投入了大量的人力、財(cái)力和物力，以期望取得GaN基高功率器件的突破，并且居于此領(lǐng)域的制高點(diǎn)?！暗镆r底材料與半導(dǎo)體照明的應(yīng)用前景”文稿介紹了氮化物襯底材料與半導(dǎo)體照明的應(yīng)用前景的部分內(nèi)容。GaN、AlN、InN及其合金等材，是作為新材料的GaN系材料。對(duì)襯底材料進(jìn)行評(píng)

2、價(jià)要就襯底材料綜合考慮其因素，尋找到更加合適的襯底是發(fā)展GaN基技術(shù)的重要目標(biāo)。評(píng)價(jià)襯底材料要綜合考慮襯底與外延膜的晶格匹配、襯底與外延膜的熱膨脹系數(shù)匹配、襯底與外延膜的化學(xué)穩(wěn)定性匹配、材料制備的難易程度及成本的高低的因素。InN的外延襯底材料就現(xiàn)在來講有廣泛應(yīng)用的。自支撐同質(zhì)外延襯底的研制對(duì)發(fā)展自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的氮化物半導(dǎo)體激光器、大功率高亮度半導(dǎo)體照明用LED，以及高功率微波器件等是很重要的。“氮化物襯底材料的評(píng)價(jià)因素及研究與開發(fā)”文稿介紹了氮化物襯底材料的評(píng)價(jià)因素及研究與開發(fā)的部分內(nèi)容。氮化物襯底材料與半導(dǎo)體照明的應(yīng)用前景GaN是直接帶隙的材料，其光躍遷幾率比間接帶隙的高一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，寬

3、帶隙的GaN基半導(dǎo)體在短波長發(fā)光二極管、激光器和紫外探測(cè)器，以及高溫微電子器件方面顯示出廣闊的應(yīng)用前景；對(duì)環(huán)保，其還是很適合于環(huán)保的材料體系。1994年，日本的Nicha公司在GaN/l2O3上取得突破，1995年，GaN器件第一次實(shí)現(xiàn)商品化。1998年，GaN基發(fā)光二極管LED市場規(guī)模為US$5.0億，2000年，市場規(guī)模擴(kuò)大至US$13億。據(jù)權(quán)威專家的預(yù)計(jì)，GaN基LED及其所用的l2O3襯底在國際市場上的市場成長期將達(dá)到50年之久。GaN基LED及其所用的l2O3襯底具有獨(dú)特的優(yōu)異物化性能，并且具有長久耐用性。預(yù)計(jì)，2005年GaN基器件的市場規(guī)模將擴(kuò)大至US$30億，GaN基器件所用的

4、l2O3襯底的市場規(guī)模將擴(kuò)大至US$5億。半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展分類所示的若干主要階段，其每個(gè)階段均能形成富有特色的產(chǎn)業(yè)鏈：（1）第一階段第一階段（特種照明時(shí)代，2005年之前），其中有：儀器儀表指示；金色顯示、室內(nèi)外廣告；交通燈、信號(hào)燈、標(biāo)致燈、汽車燈；室內(nèi)長明燈、吊頂燈、變色燈、草坪燈；城市景觀美化的建筑輪廓燈、橋梁、高速公路、隧道導(dǎo)引路燈，等等。（2）第二階段第二階段（照明時(shí)代，20052010年），其中有：CD、DVD、H-DVD光存儲(chǔ)；激光金色顯示；娛樂、條型碼、打印、圖像記錄；醫(yī)用激光；開拓固定照明新領(lǐng)域，衍生出新的照明產(chǎn)業(yè)，為通用照明應(yīng)用打下基礎(chǔ)，等等。（3）第三階段第三階段（通用照

5、明時(shí)代，2010年之后），包括以上二個(gè)階段的應(yīng)用，并且還全面進(jìn)入通用照明市場，占有3050%的市場份額。到達(dá)目前為止（處于第一階段，特種照明時(shí)代），已紛紛將中、低功率藍(lán)色、綠色LED、白光LED、藍(lán)紫色LED等實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)，走向了商業(yè)市場。高功率藍(lán)色發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)和全波段InN-GaN等，將會(huì)引發(fā)新的、更加大的商機(jī)，例如，光存儲(chǔ)、光通訊等。實(shí)現(xiàn)高功率藍(lán)色發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)和全波段InN-GaN實(shí)用化，并且達(dá)到其商品化，這需要合適的襯底材料。因此，GaN材料及器件發(fā)展，需要尋找到與GaN匹配的襯底材料，進(jìn)一步提高外延膜的質(zhì)量。另外，就基礎(chǔ)研究和中長期

6、計(jì)劃考慮，科技發(fā)展越來越需要把不同體系的材料結(jié)合到一起，即稱之為異質(zhì)結(jié)材料。應(yīng)用協(xié)變襯底可以將晶格和熱失配的缺陷局限在襯底上，并且為開辟新的材料體系打下基礎(chǔ)。已提出了多種協(xié)變襯底的制備技術(shù)，例如，自支撐襯底、鍵合和扭曲鍵合、重位晶格過渡層，以及SOI和VTE襯底技術(shù)等。預(yù)計(jì)，在今后的1020年中，大尺寸的、協(xié)變襯底的制備技術(shù)將獲得突破，并且廣泛應(yīng)用于大失配異質(zhì)結(jié)材料生長及其相聯(lián)系的光電子器件制造。世界各國現(xiàn)在又投入了大量的人力、財(cái)力和物力，并且以期望取得GaN基高功率器件的突破，居于此領(lǐng)域的制高點(diǎn)。氮化物襯底材料的評(píng)價(jià)因素及研究與開發(fā)GaN、AlN、InN及其合金等材料，是作為新材料的GaN系

7、材料。對(duì)襯底材料進(jìn)行評(píng)價(jià)，要就襯底材料綜合考慮其因素，尋找到更加合適的襯底是作為發(fā)展GaN基技術(shù)的重要目標(biāo)。一、評(píng)價(jià)襯底材料綜合考慮因素評(píng)價(jià)襯底材料要綜合考慮以下的幾個(gè)因素：（1）襯底與外延膜的晶格匹配襯底材料和外延膜晶格匹配很重要。晶格匹配包含二個(gè)內(nèi)容：面內(nèi)的晶格匹配，即在生長界面所在平面的某一方向上襯底與外延膜的匹配；沿襯底表面法線方向上的匹配。（2）襯底與外延膜的熱膨脹系數(shù)匹配熱膨脹系數(shù)的匹配也很重要，外延膜與襯底材料在熱膨脹系數(shù)上相差過大不僅可能使外延膜質(zhì)量下降，還會(huì)在器件工作過程中，由于發(fā)熱而造成器件的損壞。（3）襯底與外延膜的化學(xué)穩(wěn)定性匹配襯底材料需要有相當(dāng)好的化學(xué)穩(wěn)定性，不能因?yàn)?/p>

8、與外延膜的化學(xué)反應(yīng)使外延膜質(zhì)量下降。（4）材料制備的難易程度及成本的高低考慮到產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的需要，襯底材料的制備要求簡潔，而且其成本不宜很高。二、InN的外延襯底材料的研究與開發(fā)InN的外延襯底材料就現(xiàn)在來講有廣泛應(yīng)用的，其中有：InN；Al2O3(0001)；6H-SiC；MgAl2O4(111)；LiAlO2和LiGaO2；MgO；Si；GaAs(111)等。-族化合物，例如，GaN、AlN、InN，這些材料都有二種結(jié)晶形式：一種是立方晶系的閃鋅礦結(jié)構(gòu)，而另一種是六方晶系的纖鋅礦結(jié)構(gòu)。以藍(lán)光輻射為中心形成研究熱點(diǎn)的是纖鋅礦結(jié)構(gòu)的、氮化鋁、氮化銦，而且主要是氮化鎵、氮化鋁、氮化銦的固溶體。這些

9、材料的禁帶是直接躍遷型，因而有很高的量子效率。用氮化鎵、氮化鋁、氮化銦這三種材料按不同組份和比例生成的固溶體，其禁帶寬度可在2.2eV到6.2eV之間變化。這樣，用這些固溶體制造發(fā)光器件，是和器件發(fā)展的方向。（1）InN和GaN 因?yàn)楫愘|(zhì)外延氮化物薄膜通常帶來大量的缺陷，缺陷損害了器件的性能。與GaN一樣，如果能在InN上進(jìn)行同質(zhì)外延生長，可以大大減少缺陷，那么器件的性能就有巨大的飛躍。自支撐同質(zhì)外延GaN,AlN和AlGaN襯底是目前最有可能首先獲得實(shí)際應(yīng)用的襯底材料。（2）藍(lán)寶石(-Al2O3)和6H-SiC -Al2O3單晶，即藍(lán)寶石晶體。(0001)面藍(lán)寶石是目前最常用的InN的外延襯

10、底材料。其匹配方向?yàn)椋篒nN(001)/Al2O3(001),InN110/Al2O310011,12。因?yàn)橐r底表面在薄膜生長前的氮化中變?yōu)锳lON,InN繞Al2O3(0001)襯底的六面形格子結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)30，這樣其失匹配度就比原來的29%稍有減少。雖然(0001)面藍(lán)寶石與InN晶格的失配率高達(dá)25%，但是由于其六方對(duì)稱，熔點(diǎn)為2050，最高工作溫度可達(dá)1900，具有良好的高溫穩(wěn)定性和機(jī)械力學(xué)性能，加之對(duì)其研究較多，生產(chǎn)技術(shù)較為成熟，而且價(jià)格便宜，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最為廣泛的襯底材料。6H-SiC作為襯底材料應(yīng)用的廣泛程度僅次于藍(lán)寶石。同藍(lán)寶石相比，6H-SiC與InN外延膜的晶格匹配得到改善。

11、此外，6H-SiC具有藍(lán)色發(fā)光特性，而且為低阻材料，可以制作電極，這就使器件在包裝前對(duì)外延膜進(jìn)行完全測(cè)試成為可能，因而增強(qiáng)了6H-SiC作為襯底材料的競爭力。又由于6H-SiC的層狀結(jié)構(gòu)易于解理，襯底與外延膜之間可以獲得高質(zhì)量的解理面，這將大大簡化器件的結(jié)構(gòu)；但是同時(shí)由于其層狀結(jié)構(gòu)，在襯底的表面常有給外延膜引入大量的缺陷的臺(tái)階出現(xiàn)。（3）鎂鋁尖晶石(MgAl2O4) MgAl2O4晶體，即鋁酸鎂晶體。MgAl2O4晶體是高熔點(diǎn)(2130)、高硬度（莫氏8級(jí)）的晶體材料，屬面心立方晶系，空間群為Fd3m,晶格常數(shù)為0.8085nm。MgAl2O4晶體是優(yōu)良的傳聲介質(zhì)材料，在微波段的聲衰減低，用M

12、gAl2O4晶體制作的微波延遲線插入損耗小。MgAl2O4晶體與Si的晶格匹配性能好，其膨脹系數(shù)也與Si相近，因而外延Si膜的形變扭曲小，制作的大規(guī)模超高速集成電路速度比用藍(lán)寶石制作的速度要快。此外，國外又用MgAl2O4晶體作超導(dǎo)材料，有很好的效果。近年來，對(duì)MgAl2O4晶體用于GaN的外延襯底材料研究較多。由于MgAl2O4晶體具有良好的晶格匹配和熱膨脹匹配，(111)面MgAl2O4晶體與GaN晶格的失配率為9%，具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，以及良好的機(jī)械力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)，MgAl2O4晶體目前是GaN較為合適的襯底材料之一，已在MgAl2O4基片上成功地外延出高質(zhì)量的GaN膜，并且

13、已研制成功藍(lán)光LED和LD。此外，MgAl2O4襯底最吸引人之處在于可以通過解理的方法獲得激光腔面。在前面的研究基礎(chǔ)上，近來把MgAl2O4晶體用作InN的外延襯底材料的研究也陸續(xù)見之于文獻(xiàn)報(bào)道。其之間的匹配方向?yàn)椋篒nN(001)/MgAl2O4(111)，InN110/MgAl2O4100，InN繞MgAl2O4(111)襯底的四方、六方形格子結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)30。研究表明(111)面MgAl2O4晶體與InN晶格的失配率為15%，晶格匹配性能要大大優(yōu)于藍(lán)寶石，(0001)面藍(lán)寶石與InN晶格的失配率高達(dá)25%。而且，如果位于頂層氧原子層下面的鎂原子占據(jù)有效的配位晶格位置，以及氧格位，那么這樣可以

14、有希望將晶格失配率進(jìn)一步降低至7%，這個(gè)數(shù)字要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于藍(lán)寶石。所以MgAl2O4晶體是很有發(fā)展?jié)摿Φ腎nN的外延襯底材料。（4）LiAlO2和LiGaO2 以往的研究是把LiAlO2和LiGaO2用作GaN的外延襯底材料。LiAlO2和LiGaO2與GaN的外延膜的失配度相當(dāng)小，這使得LiAlO2和LiGaO2成為相當(dāng)合適的GaN的外延襯底材料。同時(shí)LiGaO2作為GaN的外延襯底材料,還有其獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)：外延生長GaN后，LiGaO2襯底可以被腐蝕，剩下GaN外延膜，這將極大地方便了器件的制作。但是由于LiGaO2晶體中的鋰離子很活潑，在普通的外延生長條件下（例如，MOCVD法的化學(xué)氣氛和生長

15、溫度）不能穩(wěn)定存在，故其單晶作為GaN的外延襯底材料還有待于進(jìn)一步研究。而且在目前也很少把LiAlO2和LiGaO2用作InN的外延襯底材料。（5）MgO MgO晶體屬立方晶系，是NaCl型結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)為2800。因?yàn)镸gO晶體在MOCVD氣氛中不夠穩(wěn)定，所以對(duì)其使用少，特別是對(duì)于熔點(diǎn)和生長溫度更高的InN薄膜。（6）GaAsGaAs(111)也是目前生長InN薄膜的襯底材料。襯底的氮化溫度低于700時(shí)，生長InN薄膜的厚度小于0.05m時(shí)，InN薄膜為立方結(jié)構(gòu)，當(dāng)生長InN薄膜的厚度超過0.2m時(shí)，立方結(jié)構(gòu)消失，全部轉(zhuǎn)變?yōu)榱浇Y(jié)構(gòu)的InN薄膜。InN薄膜在GaAs(111) 襯底上的核化方式與

16、在Al2O3(001)襯底上的情況有非常大的差別，InN薄膜在GaAs(111)襯底上的核化方式?jīng)]有在白寶石襯底上生長InN薄膜時(shí)出現(xiàn)的柱狀、纖維狀結(jié)構(gòu)，表面上顯現(xiàn)為非常平整。（7）Si 單晶Si，是應(yīng)用很廣的。以Si作為InN襯底材料是很引起注意的，因?yàn)橛锌赡軐nN基器件與Si器件集成。此外，Si技術(shù)在半導(dǎo)體工業(yè)中已相當(dāng)?shù)某墒臁？梢韵胂螅绻赟i的襯底上能生長出器件質(zhì)量的InN外延膜，這樣則將大大簡化InN基器件的制作工藝，減小器件的大小。（8）ZrB2 ZrB2是2001年日本科學(xué)家首次提出用于氮化物外延新型襯底。ZrB2與氮化物晶格匹配，而且其具有匹配的熱膨脹系數(shù)和高的電導(dǎo)率。主要用

17、助熔劑法和浮區(qū)法生長。自支撐同質(zhì)外延襯底的研制對(duì)發(fā)展自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的氮化物半導(dǎo)體激光器、大功率高亮度半導(dǎo)體照明用LED，以及高功率微波器件等是很重要的。襯底材料的選用對(duì)于制作LED芯片來說，襯底材料的選用是首要考慮的問題。應(yīng)該采用哪種合適的襯底，需要根據(jù)設(shè)備和LED器件的要求進(jìn)行選擇。目前市面上一般有三種材料可作為襯底：藍(lán)寶石（Al2O3）硅(Si) 碳化硅（SiC）通常，GaN基材料和器件的外延層主要生長在藍(lán)寶石襯底上。藍(lán)寶石襯底有許多的優(yōu)點(diǎn)：首先，藍(lán)寶石襯底的生產(chǎn)技術(shù)成熟、器件質(zhì)量較好；其次，藍(lán)寶石的穩(wěn)定性很好，能夠運(yùn)用在高溫生長過程中；最后，藍(lán)寶石的機(jī)械強(qiáng)度高，易于處理和清洗。因此，大多數(shù)

18、工藝一般都以藍(lán)寶石作為襯底。圖1示例了使用藍(lán)寶石襯底做成的LED芯片。圖1藍(lán)寶石作為襯底的LED芯片使用藍(lán)寶石作為襯底也存在一些問題，例如晶格失配和熱應(yīng)力失配，這會(huì)在外延層中產(chǎn)生大量缺陷，同時(shí)給后續(xù)的器件加工工藝造成困難。藍(lán)寶石是一種絕緣體，常溫下的電阻率大于1011cm，在這種情況下無法制作垂直結(jié)構(gòu)的器件；通常只在外延層上表面制作n型和p型電極（如圖1所示）。在上表面制作兩個(gè)電極，造成了有效發(fā)光面積減少，同時(shí)增加了器件制造中的光刻和刻蝕工藝過程，結(jié)果使材料利用率降低、成本增加。由于P型GaN摻雜困難，當(dāng)前普遍采用在p型GaN上制備金屬透明電極的方法，使電流擴(kuò)散，以達(dá)到均勻發(fā)光的目的。但是金屬

19、透明電極一般要吸收約30%40%的光，同時(shí)GaN基材料的化學(xué)性能穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度較高，不容易對(duì)其進(jìn)行刻蝕，因此在刻蝕過程中需要較好的設(shè)備，這將會(huì)增加生產(chǎn)成本。藍(lán)寶石的硬度非常高，在自然材料中其硬度僅次于金剛石，但是在LED器件的制作過程中卻需要對(duì)它進(jìn)行減薄和切割（從400nm減到100nm左右）。添置完成減薄和切割工藝的設(shè)備又要增加一筆較大的投資。藍(lán)寶石的導(dǎo)熱性能不是很好（在100約為25W/（mK）。因此在使用LED器件時(shí)，會(huì)傳導(dǎo)出大量的熱量；特別是對(duì)面積較大的大功率器件，導(dǎo)熱性能是一個(gè)非常重要的考慮因素。為了克服以上困難，很多人試圖將GaN光電器件直接生長在硅襯底上，從而改善導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能。

20、硅襯底目前有部分LED芯片采用硅襯底。硅襯底的芯片電極可采用兩種接觸方式，分別是L接觸（Laterial-contact,水平接觸）和V接觸（Vertical-contact，垂直接觸），以下簡稱為L型電極和V型電極。通過這兩種接觸方式，LED芯片內(nèi)部的電流可以是橫向流動(dòng)的，也可以是縱向流動(dòng)的。由于電流可以縱向流動(dòng)，因此增大了LED的發(fā)光面積，從而提高了LED的出光效率。因?yàn)楣枋菬岬牧紝?dǎo)體，所以器件的導(dǎo)熱性能可以明顯改善，從而延長了器件的壽命。碳化硅襯底碳化硅襯底（美國的CREE公司專門采用SiC材料作為襯底）的LED芯片電極是L型電極，電流是縱向流動(dòng)的。采用這種襯底制作的器件的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能

21、都非常好，有利于做成面積較大的大功率器件。采用碳化硅襯底的LED芯片如圖2所示。圖2采用藍(lán)寶石襯底與碳化硅襯底的LED芯片碳化硅襯底的導(dǎo)熱性能（碳化硅的導(dǎo)熱系數(shù)為490W/(mK)）要比藍(lán)寶石襯底高出10倍以上。藍(lán)寶石本身是熱的不良導(dǎo)體，并且在制作器件時(shí)底部需要使用銀膠固晶，這種銀膠的傳熱性能也很差。使用碳化硅襯底的芯片電極為L型，兩個(gè)電極分布在器件的表面和底部，所產(chǎn)生的熱量可以通過電極直接導(dǎo)出；同時(shí)這種襯底不需要電流擴(kuò)散層，因此光不會(huì)被電流擴(kuò)散層的材料吸收，這樣又提高了出光效率。但是相對(duì)于藍(lán)寶石襯底而言，碳化硅制造成本較高，實(shí)現(xiàn)其商業(yè)化還需要降低相應(yīng)的成本。三種襯底的性能比較前面的內(nèi)容介紹的

22、就是制作LED芯片常用的三種襯底材料。這三種襯底材料的綜合性能比較可參見表1。表1三種襯底材料的性能比較除了以上三種常用的襯底材料之外，還有GaAS、AlN、ZnO等材料也可作為襯底，通常根據(jù)設(shè)計(jì)的需要選擇使用。襯底材料的評(píng)價(jià)1襯底與外延膜的結(jié)構(gòu)匹配：外延材料與襯底材料的晶體結(jié)構(gòu)相同或相近、晶格常數(shù)失配小、結(jié)晶性能好、缺陷密度低；2襯底與外延膜的熱膨脹系數(shù)匹配：熱膨脹系數(shù)的匹配非常重要，外延膜與襯底材料在熱膨脹系數(shù)上相差過大不僅可能使外延膜質(zhì)量下降，還會(huì)在器件工作過程中，由于發(fā)熱而造成器件的損壞；3襯底與外延膜的化學(xué)穩(wěn)定性匹配：襯底材料要有好的化學(xué)穩(wěn)定性，在外延生長的溫度和氣氛中不易分解和腐蝕，不能因?yàn)榕c外延膜的化學(xué)反應(yīng)使外延膜質(zhì)量下降；4材料制備的難易程度及成本的高低：考慮到產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的需要，襯底材料的制備要求簡潔，成本不宜很高。襯底尺寸一般不小于2英寸。當(dāng)前用于GaN基LED的襯底材料比較多，但是能用于商品化的襯底目前只有兩種，即藍(lán)