以GaN為代表的第三代半導(dǎo)體材料是近十幾年來(lái)國(guó)際上倍受重視的新型半導(dǎo)體材料，在白光LED、短波長(zhǎng)激光器、紫外探測(cè)器以及高溫大功率器件中具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，由于GaN特殊的穩(wěn)定性(熔點(diǎn)2791K，融解壓4.5GPa)，自然界缺乏天然的GaN體單晶材料，當(dāng)前的主要工作都是在藍(lán)寶石、SiC、Si等襯底上異質(zhì)外延進(jìn)行的。由于GaN與襯底間的晶格失配和熱失配，導(dǎo)致異質(zhì)外延GaN薄膜中具有高的位錯(cuò)密度，位錯(cuò)會(huì)形成非輻射復(fù)合中心和光散射中心，大大降低光電子器件的發(fā)光效率。另外，異質(zhì)外延也給器件帶來(lái)了一些別的問(wèn)題，如解理困難、散熱性差等。因而開(kāi)發(fā)適合規(guī)模制造的GaN襯底材料工藝對(duì)發(fā)展GaN半導(dǎo)體器件產(chǎn)業(yè)至關(guān)重要。

　　毫無(wú)疑問(wèn)，單晶GaN襯底是滿(mǎn)足GaN在激光二極管、白光LED、大功率晶體管等性能進(jìn)一步提高的關(guān)鍵。世界許多大公司和研究機(jī)構(gòu)在GaN襯底技術(shù)方面投入巨大的人力和物力進(jìn)行研究，多家單位已經(jīng)宣稱(chēng)獲得了GaN基板。在商用GaN襯底的供應(yīng)方面，目前有日本的住友電氣(Sumitomo Electric)、日立電纜(Hitachi Cable)、三菱化學(xué)(Mitsubishi)、古河金屬機(jī)械(Furukawa)、美國(guó)的Cree、Kyma、TDI、波蘭的TopGaN以及法國(guó)的Lumilog等公司可提供，但生產(chǎn)規(guī)模都很小，價(jià)格也高達(dá)幾千美元/片，目前主要用于激光二極管的生產(chǎn)，其價(jià)格只有接近藍(lán)寶石襯底價(jià)格，才有機(jī)會(huì)大規(guī)模用于發(fā)光二極管之生產(chǎn)制造.

　　在GaN襯底生長(zhǎng)技術(shù)中，氫化物氣相外延(HVPE)以其高生長(zhǎng)速率(可以達(dá)到800μm/h以上)、低成本、可大面積生長(zhǎng)和均勻性好等優(yōu)點(diǎn)，成為GaN襯底獲得突破的首選，目前絕大多數(shù)研究工作都集中于此。HVPE生長(zhǎng)GaN襯底，通常是在藍(lán)寶石或砷化鎵等襯底上外延0.5~1mm的厚膜，然后再以激光剝離、研磨或蝕刻等方式將襯底移除，最后將獲得的GaN拋光形成所謂的自支撐GaN襯底。然而，由于存在異質(zhì)外延過(guò)程，GaN外延厚膜與所用襯底間的晶格失配和熱失配，造成了外延膜碎裂、翹曲等，這些問(wèn)題導(dǎo)致了成品率低下，是目前GaN襯底價(jià)格昂貴的主要原因。一般的外延GaN厚膜的位錯(cuò)密度在106~107cm-2量級(jí)，當(dāng)前，德國(guó)Aixtron公司采用垂直HVPE法進(jìn)行GaN梨晶生長(zhǎng)，獲得了直徑2英寸，高7cm的梨晶體，缺陷坑密度為5×105cm-2，而且越向根部晶體質(zhì)量越好，最低可達(dá)到104cm-2。更厚的梨形晶體不僅可產(chǎn)出更多的晶片，還能進(jìn)一步減少材料的缺陷密度，因此利用梨晶切片是未來(lái)制備高質(zhì)量GaN襯底的首選之一。

　　近兩年來(lái)，氨熱法(ammonothermal method)在制備大尺寸GaN體單晶研究方面取得了突破性進(jìn)展，打破了晶體尺寸限制，大有在未來(lái)幾年內(nèi)取代HVPE技術(shù)之勢(shì)。美國(guó)UCSB在過(guò)飽和的氨氣環(huán)境中成功獲得了厘米量級(jí)的大塊GaN晶體，位錯(cuò)密度小于1×106cm-2，日本大阪大學(xué)首次使用氨熱法制備出2英寸GaN襯底，他們添加碳在反應(yīng)爐中，有效降低了多晶的形成，該2英寸4mm厚GaN位錯(cuò)密度為2.3×105cm-2。最近，波蘭Ammono公司也報(bào)道了利用氨熱法生長(zhǎng)的2英寸GaN晶體(圖1)，位錯(cuò)密度低于5×104cm-2，(0002)雙晶結(jié)果僅為15arcsec，是目前最好的結(jié)果之一。除了上述這兩種方法，還有高壓生長(zhǎng)法(HNPSG)、鈉融法(Na Flux)等，但這兩種技術(shù)對(duì)設(shè)備和工藝都有苛刻要求，更主要的是目前難以實(shí)現(xiàn)大尺寸單晶，無(wú)法滿(mǎn)足商業(yè)化的要求，目前只有少數(shù)幾個(gè)研究小組還在研究。表1簡(jiǎn)單給出了各種技術(shù)制備GaN單晶的工藝參數(shù)和材料指標(biāo)性能。

　　表1 各種GaN單晶生長(zhǎng)技術(shù)特點(diǎn)與材料性能

　　圖一 氨熱法獲得的大尺寸GaN晶體照片

　　除了位錯(cuò)密度外，極化效應(yīng)是困擾發(fā)光二極管、激光二極管等光電子器件的另一個(gè)主要問(wèn)題。當(dāng)GaN基材料在傳統(tǒng)c面襯底上外延時(shí)，由于Ga原子和N原子電負(fù)性的差異，形成電偶極子，產(chǎn)生了自發(fā)極化。另外，晶格失配和熱失配而導(dǎo)致的應(yīng)變引起了壓電極化，壓電極化對(duì)量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)的影響更顯著。極化效應(yīng)提高了二維電子氣的電子濃度，極大的改善了HEMT等微電子器件的性能，不幸的是，對(duì)于LED、LD等光電器件，極化效應(yīng)則造成了明顯的負(fù)面影響，它所產(chǎn)生的內(nèi)建電場(chǎng)引起量子阱中電子和空穴基態(tài)波函數(shù)分離，導(dǎo)致量子限制斯塔克效應(yīng)，從而出現(xiàn)輻射復(fù)合效率下降、峰值紅移等現(xiàn)象，大大限制了GaN基光電器件的大功率化，這在高In含量的綠光和高Al含量的紫外光發(fā)射中尤其嚴(yán)重。

　　因而，獲得高質(zhì)量非極性GaN襯底成為了最終解決問(wèn)題的關(guān)鍵所在，既有效降低了缺陷密度，又去除了極化電場(chǎng)的影響，有可能徹底解決光電器件應(yīng)用中的難題。此外，非極性GaN基發(fā)光器件也比當(dāng)前的c面發(fā)光器件具有其他特性，如寬范圍顏色發(fā)光、偏振光發(fā)射、功耗較低等，其直接發(fā)射偏振光的特點(diǎn)可以用作液晶顯示屏的背光源，能有效降低偏振濾光片的損耗。因而，非極性GaN襯底的制備成為了一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。近年來(lái)，在“藍(lán)光之父”Nakamura(中村修二)的帶領(lǐng)下，美國(guó)UCSB率先開(kāi)展了非極性GaN的研究，與日本三菱化學(xué)合作，在藍(lán)紫光LD、黃綠光LED等領(lǐng)域取得了一系列突破，隨后，美國(guó)南卡羅來(lái)納大學(xué)、日本羅姆公司、日本日亞公司和美國(guó)Cree公司等著名研究機(jī)構(gòu)也加入進(jìn)來(lái)。截至到目前，非極性和半極性GaN襯底上獲得的綠光、黃光LED的水平已經(jīng)超過(guò)c面LED當(dāng)前的水平，見(jiàn)圖2所示。

　　圖2 不同波段LED外量子效率的變化

　　不過(guò)非極性GaN襯底的制備難度更大，通常具有高的位錯(cuò)密度和層錯(cuò)密度，嚴(yán)重制約了器件水平的提高。目前主要是用HVPE和氨熱法生長(zhǎng)的厚c面GaN襯底切割而獲得，尺寸受到了限制，梨晶和氨熱法成為了獲得大尺寸非極性GaN襯底的希望所在。

　　GaN襯底當(dāng)前最大的應(yīng)用屬于激光器，以日本日亞、索尼和韓國(guó)三星為首的一些大公司借著B(niǎo)lue Ray在高密度DVD存儲(chǔ)中的壟斷地位，正在大力推進(jìn)藍(lán)光DVD的商業(yè)化，其中Blue Ray所使用的藍(lán)光LD主要使用GaN襯底。這些產(chǎn)品已作為關(guān)鍵部件應(yīng)用于下一代DVD播放系統(tǒng)中，比如藍(lán)光光盤(pán)和HD-DVD。此外，這些激光器也非常適合用于投影顯示、高精度印刷和光學(xué)傳感等領(lǐng)域。然而，在GaN基LED照明領(lǐng)域，因?yàn)槌杀締?wèn)題，鮮有采用GaN襯底的LED產(chǎn)品報(bào)道，目前日本的松下電器成為首家推出采用GaN襯底生產(chǎn)高功率LED的公司。不過(guò)，相對(duì)于Cree、Nichia等大公司在碳化硅、藍(lán)寶石襯底上成熟的LED器件水平，前者發(fā)光效率達(dá)到了208lm/W，后者也超過(guò)了145lm/W，GaN襯底上白光LED效率要明顯偏低，還有很大的上升空間。可以預(yù)見(jiàn)，隨著GaN襯底技術(shù)的逐步成熟，未來(lái)五年內(nèi)，低成本、高質(zhì)量GaN襯底有望大規(guī)模應(yīng)用于半導(dǎo)體微電子器件和光電子器件等領(lǐng)域。