非極性氮化鎵基半導(dǎo)體研究

氮化鎵基化合物被認(rèn)作用于高功率、高性能的光學(xué)器件或電子器件的重要材料。具體地講，因?yàn)橹T如GaN的第III族氮化物具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和直接躍遷能帶結(jié)構(gòu)，所以第III族氮化物作為用于可見(jiàn)光區(qū)域和紫外線(xiàn)區(qū)域的發(fā)光裝置的材料近來(lái)引起許多注意。例如，在多種應(yīng)用中已經(jīng)利用使用InGaN的藍(lán)色發(fā)光裝置和綠色發(fā)光裝置，例如，大型本色平板顯示裝置、交通燈、室內(nèi)照明、高密度光源、高分辨率輸出系統(tǒng)和光學(xué)通信工具。

然而，因?yàn)殡y以制造能夠在其上生長(zhǎng)第III族氮化物半導(dǎo)體層的同質(zhì)基底，所以已經(jīng)通過(guò)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）在具有類(lèi)似晶體結(jié)構(gòu)的異質(zhì)基底上生長(zhǎng)第III族氮化物半導(dǎo)體層。對(duì)于異質(zhì)基底，已經(jīng)主要使用具有六角形結(jié)構(gòu)的藍(lán)寶石基底。具體地講，因?yàn)镚aN外延層趨向在c面方向生長(zhǎng)，所以已經(jīng)主要使用具有c面生長(zhǎng)表面的藍(lán)寶石基底。

生長(zhǎng)在c面生長(zhǎng)表面上的c面氮化鎵基半導(dǎo)體層由于自發(fā)極化和壓電極化而產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng)，這降低了輻射復(fù)合率。為了防止這樣的極化現(xiàn)象，正在進(jìn)行對(duì)非極性或半極性氮化鎵基半導(dǎo)體層的研究。

非極性氮化鎵新趨勢(shì)

非極性GaN材料尤其是m面GaN材料的制備研究已成為全球的研究熱點(diǎn)。發(fā)展大尺寸、低成本和高性能的非極性GaN材料成為未來(lái)氮化物發(fā)光器件的重要趨勢(shì)之一。

m面GaN作為其中最重要的一種非極性面GaN材料，被認(rèn)為可以消除壓電極化導(dǎo)致的氮化物發(fā)光器件輻射復(fù)合效率降低和發(fā)光波長(zhǎng)藍(lán)移等問(wèn)題，在未來(lái)的半導(dǎo)體白光照明工程中具有重要應(yīng)用前景。

氮化鎵新技術(shù)突破

大阪大學(xué)成功研發(fā)了低成本N極性GaN技術(shù)，可將性能提升80%。最近，N極性氮化鎵又有新的技術(shù)突破——日本住友電工開(kāi)發(fā)了基于GaN單晶N極性HEMT器件

然而，常規(guī)制備方法如高壓法、HVPE生長(zhǎng)厚膜的m面切割以及LiAlO2上的外延等都存在襯底難于做到使用尺寸、價(jià)格過(guò)于昂貴、材料本身不穩(wěn)定等因素的影響，不利于非極性LED、LD等的進(jìn)一步發(fā)展。

GaN晶體廣泛使用的是Ga極性，為了實(shí)現(xiàn)更高的輸出和更高的頻率，業(yè)界正在開(kāi)發(fā)反向的HEMT結(jié)構(gòu)，來(lái)增加器件設(shè)計(jì)的自由度，并可以抑制漏電流。

Ga極性和N極性的HEMT結(jié)構(gòu)比較

但是，N極性單晶襯底的晶面存在缺陷，因此，在器件設(shè)計(jì)方面，開(kāi)發(fā)HEMT結(jié)構(gòu)需要解決高質(zhì)量柵極絕緣膜的挑戰(zhàn)擋層。

關(guān)于氮化鎵（GaN）襯底的選擇

對(duì)于GaN這樣的Ⅲ族氮化物來(lái)說(shuō)，其熔點(diǎn)將近 1700℃，因此很難從熔融的液相中生長(zhǎng)出來(lái)，盡管科學(xué)家已經(jīng)在生長(zhǎng)高質(zhì)量塊狀GaN單晶和氫化物氣相外延GaN做了大量的研究，但由于成本高昂的關(guān)系，GaN依舊沒(méi)有可用的的體塊單晶，使用GaN同質(zhì)外延目前是商業(yè)化不可行的。

目前 GaN 晶體的生長(zhǎng)必須要在GaN以外的襯底上進(jìn)行，主要包括藍(lán)寶石、碳化硅（SiC）和硅（Si）等。

1、藍(lán)寶石是目前使用最為普遍的一種襯底材料。特點(diǎn)是容易獲得、價(jià)格適當(dāng)、易于清潔和處理、在高溫下具有很好的穩(wěn)定性、可以大尺寸穩(wěn)定生長(zhǎng)。

2、目前用于氮化鎵生長(zhǎng)襯底就是SiC，它在市場(chǎng)上的占有率位居第二。它有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，如化學(xué)穩(wěn)定性好、導(dǎo)電性能好、導(dǎo)熱性能好、不吸收可見(jiàn)光、其晶格常數(shù)和材料的熱膨脹系數(shù)與GaN材料更為接近等，但不足方面也很突出，如價(jià)格太高、晶體質(zhì)量難以達(dá)到藍(lán)寶石那么好、機(jī)械加工性能比較差。

3、Si襯底具有價(jià)格低廉、容易解理、導(dǎo)電性好、導(dǎo)熱性好等優(yōu)點(diǎn)，而且能實(shí)現(xiàn)光電子器件和微電子器件的集成，因此在硅襯底上制備發(fā)光二極管是本領(lǐng)域里夢(mèng)寐以求的一件事情。

文章整合自日本應(yīng)用物理學(xué)雜志、國(guó)知局、第三代半導(dǎo)體風(fēng)向、粉體圈