低位錯密度GaN襯底材料製備及其應用
低位錯密度GaN襯底材料製備及其應用
主講人：王紅成
日 期：2018. 03. 01
王紅成，東莞理工學院光電子學與激光技術專業教授，光電工程系主任。主要從事光電子學與激光技術領域內的研究與開發工作，在超快激光技術、半導體照明、及激光精細加工等領域取得了一系列研究成果。
主持了國家自然科學基金、廣東省自然科學基金、廣東省科技計劃、廣東省戰略性新興產業項目LED專項資金項目等國家、省、市級科研項目多項，發表SCI或EI收錄論文90餘篇，獲發明專利2項、實用新型專利6項。
本次大家談將會邀請到東莞理工學院光電子學與激光技術專業王紅成教授為大家分享話題：低位錯密度GaN襯底材料製備及其應用。
我的題目是低位錯密度GaN襯底材料製備及其應用。首先介紹一下研究背景意義。
III-V族氮化物半導體材料，是繼硅，砷化鎵之後的第三代半導體材料，包含了氮化鎵（GaN），氮化鋁（AlN）和氮化銦(InN)及它們的合金，是直接帶隙半導體，具有禁帶寬度大（範圍為0.7-6.2eV）、擊穿電場高、熱導率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強以及耐化學腐蝕等優點。這些光電性質上的優勢使III-V族氮化物材料在光電子領域（如LED和LD）具有極強的競爭優勢，處於不可替代的地位。國家十三五規劃中，將第三代半導體材料及器件產業列為重點發展領域，國家、省部有超千億資金及政策支持。目前廣東省正在積極推動打造我國第三代半導體材料體系的產業化基地。其中GaN襯底材料是基礎。目前我國在GaN襯底材料方面的研究正從跟跑到領跑過度。
氮化物半導體的發展趨勢是從異質外延向同質外延轉變。其中氮化鎵襯底是同質外延必然選擇。採用氫化物氣相外延技術（HVPE）製備GaN襯底材料，採用HCl和NH3漸變周期調製的方法製備GaN外延層。抑制GaN厚膜中的應力，從而解決GaN厚膜的開裂與缺陷密度高的問題，在保證GaN外延膜低位錯密度和高質量的同時，有效釋放外延膜的應力，達到外延材料的質量和應力有效釋放兩者之間的平衡。大幅度降低晶體缺陷密度，製備高晶體質量GaN襯底材料。在此基礎上同質外延製備光電子器件。
GaN襯底材料的應用領域有主要有以下幾個方面：半導體照明，國防軍工，激光顯示，電子器件。
其中在半導體照明領域採用GaN同質襯底和採用Al2O3異質襯底製備的發光二極體在量子效率，器件光電參數方面有很大優勢。採用GaN同質襯底可以製作垂直結構LED，在散熱，工作電壓等方面相對於異質襯底水平結構具有優勢。同質襯底垂直結構LED在大功率LED方面具有巨大應用前景。
採用同質GaN襯底製作的垂直結構LED，在大電流條件下輸出功率大幅提高。GaN襯底晶體質量較高，提高量子阱內量子效率，在此基礎上結合光子晶體技術提高LED器件外量子效率。
通過納米壓印技術在垂直結構LED表面製作納米級周期性結構，提高LED器件的內量子效率和外量子效率。
通過納米壓印，在LED表面製作納米級的周期性圖形，有效提高出光效率。在20mA小電流注入下，輸出功率提高42%。
相對於在LED上表面的光子晶體，在LED結構中引入內嵌式光子晶體，可以大幅度提高輸出功率74%。通過光子晶體可以減少量子阱受到的應力，同時在半導體界面全反射角對出光效率的限制。
氮化鎵襯底的另外一個應用領域是激光器，氮化鎵基激光器在激光顯示，醫療，軍事等領域具有重要應用價值。GaN基光激光器有著巨大的科研價值、經濟價值及市場前景。GaN基光激光器是激光顯示三基色光源之一,在激光電影、激光電視、激光投影、激光照明、生物醫學、材料加工、光通訊、光存儲、醫療與美容、科研與國防、儀器和探測、圖像紀錄、娛樂等領域具有重要應用價值和廣闊的市場前景。
激光顯示以藍光，綠光，紅光激光光源為基礎。其中藍光，綠光激光光源只能採用氮化鎵半導體材料製作。GaN基光激光器目前最引人注目的應用領域是激光顯示。GaN基激光器具有集成度高、光譜純凈、亮度高，解析度高等優點。激光全色顯示在顯示效果、效率、便攜性和易用性上具有發光二級管無法比擬的顯著優越性。由於激光的高色純度，按三基色合成原理在色度圖上形成的色度三角形面積最大，色域覆蓋了自然色彩的90%，而目前液晶電視、等離子體電視僅能達到40%，因而激光顯示的圖像具有更大的色域、更高的對比度，可以更真實地再現客觀世界豐富、艷麗的色彩，更具表現力。
由於GaN同質襯底製作難度較大，早期的激光器是在異質藍寶石襯底上製作的。採用異質藍寶石襯底製作的激光器在散熱性能，光電參數等方面受到很大限制。
GaN同質襯底的研發成功提升了GaN基藍綠光激光器的光電性能，推動了激光器的商業化發展，目前商業化的藍綠光激光器都是在GaN同質襯底上製作而成。
GaN基激光器可以製作成覆蓋從紫外到綠光波段的激光器。在GaN襯底上通過金屬有機化學氣相外延製作激光器。
GaN基激光器的電注入光譜圖如上圖所示。GaN基激光器遠場光斑圖如上圖所示。
GaN材料可以製作成電力電子器件。是光電信息領域最基本的原器件。
其主要應用領域包括電動汽車，通訊基站等。在軍用雷達，高鐵等領域也具有廣泛的應用。其中一個例子就是薩德反導系統。
GaN基高遷移率器件（HEMTs）具有效率高，穩定性好，尺寸小等優點。
GaN基電子功率器件的耐壓是重要參數，其中耐壓依賴於GaN外延層的厚度，厚度越厚耐壓越高。採用GaN同質襯底材料可以製作耐壓大於10000V的電子功率器件。在國防軍工領域具有重要應用價值。
GaN單晶襯底製備技術採用氫化物氣相外延技術結合激光剝離技術。GaN單晶襯底從兩英寸，向四英寸，六英寸過度。
自支撐GaN襯底製備技術介紹：氫化物氣相外延技術結合激光剝離技術。可以製備出低位錯密度GaN單晶襯底。
新型的GaN/金屬複合襯底是在GaN材料的基礎上結合鍵合工藝製作的一種複合襯底。這種複合襯底在散熱方面具有很大優勢。由於GaN/金屬模板襯底上的外延是在GaN表面進行，即可實現高性價比的同質外延技術，且有效解決了藍寶石襯底的絕緣和熱導率低性質引起的問題，可以廣泛應用於垂直結構的LED器件和電子功率器件的製備，顯著提高材料利用率，簡化晶元工藝，大幅度降低成本。
前沿技術展望：六英寸GaN襯底材料。製作六英寸GaN襯底材料需要在氫化物氣相外延設備反應室結構設計，材料生長工藝，激光剝離等技術方面開展深入研究。
本文為廣東省光電技術協會原創
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