1.引言

　　GaN作為新型的寬禁帶半導(dǎo)體材料，一直是國(guó)際上化合物半導(dǎo)體方面研究的熱點(diǎn)。GaN屬于直接帶隙材料，可與InN，AlN形成組分連續(xù)可變的三元或四元固溶體合金（AlGaN、InGaN、AlInGaN），對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)覆蓋了紅光到近紫外光的范圍，而且具有化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好等優(yōu)越的特性，因此在光電子領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景。其次，GaN材料與Si和GaAs等其他材料相比，在高電場(chǎng)強(qiáng)度下，具有更大的電子遷移速度，使之在微電子器件方面也具有很高的應(yīng)用價(jià)值。近十年來(lái)，以GaN為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件發(fā)展迅猛，對(duì)信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用起了巨大的推動(dòng)作用，被稱(chēng)為繼以Si為代表的第一代半導(dǎo)體、以GaAs為代表的第二代半導(dǎo)體后的第三代半導(dǎo)體。

　　從1971年P(guān)ankove報(bào)道的第一個(gè)GaN發(fā)光二極管到Nakamura研制出的GaN基藍(lán)光激光器僅僅只有二十幾年的時(shí)間。近年來(lái)，有關(guān)GaN基材料和器件的研究及發(fā)展更是大大加速了。由于GaN大尺寸體單晶生長(zhǎng)極為困難，現(xiàn)在所有成熟的器件都是以藍(lán)寶石或SiC異質(zhì)襯底為基礎(chǔ)的。但從晶格匹配和電導(dǎo)、熱導(dǎo)特性上看，藍(lán)寶石還不是理想的異質(zhì)外延襯底，而SiC襯底與GaN之間雖然晶格失配小于藍(lán)寶石襯底，但其加工困難以及昂貴的價(jià)格也限制了該襯底的進(jìn)一步應(yīng)用開(kāi)發(fā)。Si襯底和以上兩種襯底相比，除了晶格失配和熱失配較大外，其他方面比較符合GaN材料生長(zhǎng)的要求，如低成本、大尺寸、高質(zhì)量、導(dǎo)電性等優(yōu)點(diǎn)，且Si襯底GaN基材料及器件的研制將進(jìn)一步促進(jìn)GaN基器件與傳統(tǒng)Si基器件工藝的集成，被認(rèn)為是最有前途的GaN襯底材料。

但是由于過(guò)去人們把相當(dāng)?shù)淖⒁饬Χ挤旁趯ふ揖Ц袷漭^小的襯底上，Si襯底的使用并未引起人們太多興趣，隨著許多技術(shù)和觀念上的突破，Si襯底GaN基材料生長(zhǎng)越來(lái)越成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。我國(guó)南昌大學(xué)就首先突破了硅基GaNLED外延片和新基板焊接剝離技術(shù)，利用LP-MOCVD系統(tǒng)在Si(111)襯底上成功生長(zhǎng)出了高質(zhì)量的InGaNMQW藍(lán)光LED外延片，X射線(xiàn)雙晶對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)搖擺曲線(xiàn)的半高寬已經(jīng)達(dá)到了市場(chǎng)上藍(lán)寶石襯底GaNLED水平。

　　2.外延生長(zhǎng)技術(shù)

　　實(shí)現(xiàn)GaN基材料生長(zhǎng)的外延技術(shù)主要有金屬有機(jī)物化學(xué)汽相淀積（MOCVD）、分子束外延（MBE）、氫化物汽相外延（HVPE）等。

　　2.1 MOCVD

　　MOCVD是一種非平衡生長(zhǎng)技術(shù)，它依賴(lài)于源氣體傳輸過(guò)程和隨后的Ⅲ族烷基化合物與Ⅴ族氫化物的熱裂解反應(yīng)。組分和生長(zhǎng)速率均由各種不同成分的氣流和精確控制的源流量所決定。MOCVD的一個(gè)重要的特征是反應(yīng)管壁的溫度大大低于內(nèi)部加熱的襯底溫度，使熱管壁反應(yīng)消耗降低。MOCVD方法的生長(zhǎng)速率適中，可以比較精確地控制膜厚，特別適合于LEDs和LDs的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，目前已經(jīng)成為使用最多、生長(zhǎng)材料和器件質(zhì)量最高的方法。美國(guó)的EMCORE、德國(guó)的AIXTRON公司以及英國(guó)的ThomasSwan公司都已經(jīng)開(kāi)發(fā)出用于工業(yè)化生產(chǎn)的Ⅲ族氮化物MOCVD(LP-MOCVD)設(shè)備。

　　2.2 MBE

　　MBE是直接以Ga的分子束作為Ga源，以NH3為N源，在襯底表面反應(yīng)生成GaN。該方法可以在較低的溫度下實(shí)現(xiàn)GaN的生長(zhǎng)，有可能減少N的揮發(fā)，從而降低背景電子濃度。其生長(zhǎng)反應(yīng)過(guò)程簡(jiǎn)單，可以實(shí)時(shí)表征或精確監(jiān)控生長(zhǎng)表面的結(jié)構(gòu)、成分和膜厚，生長(zhǎng)溫度低，均勻性較好。由于這種方法的生長(zhǎng)速率較慢，可以精確地控制膜厚，特別適合于量子阱、超晶格等超薄層結(jié)構(gòu)的材料生長(zhǎng)，但對(duì)于外延層較厚的器件，如LEDs和LDs，生長(zhǎng)時(shí)間較長(zhǎng)，不能滿(mǎn)足大規(guī)模生產(chǎn)的要求，而且當(dāng)采用等離子體輔助方式時(shí)，要采取措施避免高能離子對(duì)于薄膜的損傷。

　　2.3 HVPE

　　人們最早就是采用這種生長(zhǎng)技術(shù)制備出了GaN單晶薄膜。氫化物汽相外延技術(shù)是一種化學(xué)汽相輸運(yùn)技術(shù)，與傳統(tǒng)的物理汽相輸運(yùn)技術(shù)相比，它可以提供很高的生長(zhǎng)率（每小時(shí)100μm以上），在短時(shí)間內(nèi)生長(zhǎng)很厚的GaN膜，從而減少熱失配和晶格失配對(duì)材料性能的影響，可采用剝離技術(shù)，將獲得的低位錯(cuò)密度的厚膜與襯底分離，從而成為體單晶GaN晶片的替代品，用作采用其他方法進(jìn)行同質(zhì)外延生長(zhǎng)的襯底。HVPE的缺點(diǎn)是很難精確控制膜厚，反應(yīng)氣體對(duì)設(shè)備具有腐蝕性，影響GaN材料純度的提高。

　    3.生長(zhǎng)難點(diǎn)及解決方案

　　3.1主要難點(diǎn)

　　首先，Si襯底上外延GaN，其晶格失配為17%，在生長(zhǎng)過(guò)程中的晶格失配將引入大量位錯(cuò)。其次，Si襯底和GaN之間較大的熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致較大的熱失配。由表1可知，Si的熱膨脹系數(shù)為3.59×10-6K-1，而GaN的熱膨脹系數(shù)為5.59×1010-6K-1，二者相差很大，造成高溫生長(zhǎng)后降溫的過(guò)程中外延層將承受很大的張應(yīng)力，由于外延層的厚度遠(yuǎn)小于襯底厚度，所以外延層會(huì)產(chǎn)生裂紋。

　　另一個(gè)是極性問(wèn)題，由于Si原子間形成的健是純共價(jià)鍵屬非極性半導(dǎo)體，而GaN原子間是極性鍵屬極性半導(dǎo)體。對(duì)于極性/非極性異質(zhì)結(jié)界面有許多物理性質(zhì)不同于傳統(tǒng)異質(zhì)結(jié)器件，所以界面原子、電子結(jié)構(gòu)、晶格失配、界面電荷和偶極矩、帶階、輸運(yùn)特性等都會(huì)有很大的不同，這也是研究Si襯底GaN基材料和器件所必須認(rèn)識(shí)到的問(wèn)題。

　　最后，Si襯底上Si原子的擴(kuò)散也是一個(gè)重要問(wèn)題，在高溫生長(zhǎng)過(guò)程中Si原子的擴(kuò)散加劇，導(dǎo)致外延層中會(huì)含有一定量的Si原子，這些Si原子易于與生長(zhǎng)氣氛中的氨氣發(fā)生反應(yīng)，而在襯底表面形成非晶態(tài)SixNy薄膜，降低外延層的晶體質(zhì)量。另外，Ga原子也可以擴(kuò)散到Si襯底表面發(fā)生很強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)，將對(duì)襯底產(chǎn)生回熔而破壞界面，降低外延層的晶體質(zhì)量。

　　3.2解決問(wèn)題的手段

　　3.2.1緩沖層的選取

　　緩沖層技術(shù)的引入是解決Si襯底上生長(zhǎng)GaN時(shí)晶格失配、Si擴(kuò)散和極性問(wèn)題的有效手段，同時(shí)在一定程度上也可緩解薄膜中的應(yīng)力。ZnO，3C-SiC，AlN和AlAs等都曾被用作GaN外延層與Si襯底之間的緩沖層進(jìn)行嘗試，其中AlN結(jié)果最好，這是由于AlN緩沖層在Si襯底上具有較好的浸潤(rùn)性，可有效減少界面能，使GaN一開(kāi)始就進(jìn)入二維生長(zhǎng)模式，部分緩解了Si基GaN生長(zhǎng)的困難，此外AlN還可以和GaN在同一反應(yīng)室進(jìn)行生長(zhǎng)，且Al－N鍵形成優(yōu)于Si－N鍵，在一定程度上抑制SiNx的形成。目前各研究小組通過(guò)優(yōu)化AlN緩沖層的生長(zhǎng)條件如生長(zhǎng)溫度、厚度、Ⅴ/Ⅲ比、反應(yīng)室壓強(qiáng)等，得到了高質(zhì)量GaN外延膜。但由于緩沖層技術(shù)條件下生長(zhǎng)出的GaN材料仍具有較高的缺陷密度，會(huì)影響到發(fā)光器件的發(fā)光強(qiáng)度、工作壽命和反向特性等重要技術(shù)指標(biāo)，因此人們又在該基礎(chǔ)上發(fā)展了多緩沖層技術(shù)，從而獲得更高質(zhì)量的GaN單晶材料。

　　3.2.2微裂問(wèn)題的解決

　　由于Si襯底與GaN外延層的熱失配較大，單純采用緩沖層得到的無(wú)裂紋的GaN外延層的厚度比較有限（1mm左右），微裂問(wèn)題已經(jīng)成為影響Si襯底GaN外延生長(zhǎng)的最主要的障礙，各國(guó)相繼開(kāi)展解決微裂問(wèn)題的研究。

　　Min-HoKimn等人采用梯度組分AlGaN緩沖層的方法，就是在AlN緩沖層與GaN外延層之間逐漸改變Al和Ga的組分，使其有個(gè)漸進(jìn)的過(guò)渡，這樣可在生長(zhǎng)過(guò)程中利用AlN與GaN晶格常數(shù)的差別形成壓應(yīng)力，部分彌補(bǔ)降溫過(guò)程中形成的張應(yīng)力，從而有效降低外延層中的位錯(cuò)和裂紋密度。M.Seon等人提出超晶格緩沖層的方法，即直接在Si襯底上生長(zhǎng)超晶格緩沖層，然后生長(zhǎng)GaN外延層，這樣超晶格層既可以緩解襯底與外延層之間的應(yīng)力，又可以阻止來(lái)自襯底的Si擴(kuò)散。

        但存在的問(wèn)題是，直接在Si襯底上生長(zhǎng)超晶格層比較困難，這樣超晶格緩沖層的作用也就弱化了。EricFELtin等人在GaN外延層與AlN緩沖層之間采用10個(gè)周期的AlN/GaN超晶格作插入層，生長(zhǎng)出了較厚且沒(méi)有裂紋的GaN晶體（0.9～2.5mm）。采用超晶格結(jié)構(gòu)除了產(chǎn)生額外的壓應(yīng)力外，還可很好地過(guò)濾位錯(cuò)，特別是穿透位錯(cuò)，明顯提高外延層的晶體質(zhì)量。Y.Honda等人采用選擇區(qū)域外延（SAG）法，利用GaN在介質(zhì)隱蔽膜和襯底上生長(zhǎng)的選擇性，把GaN外延層限制在沒(méi)有隱蔽膜的區(qū)域中生長(zhǎng)，形成分立的窗口，從而釋放整個(gè)外延層中的張應(yīng)力，得到XRD雙晶測(cè)量（0004）半高寬為388arcs的高質(zhì)量外延膜。Dadgar等人將低溫AlN插入層技術(shù)用于Si基GaN的生長(zhǎng)，這種方法可以有效控制GaN外延層的應(yīng)力，并且降低位錯(cuò)密度。應(yīng)力補(bǔ)償效應(yīng)的研究表明，由于AlN插入層很薄，低溫沉積的無(wú)定型性質(zhì)會(huì)在高溫生長(zhǎng)GaN外延層時(shí)成為結(jié)晶體，此馳豫過(guò)程中所引入的壓應(yīng)力可有效補(bǔ)償來(lái)自熱失配所引起的張應(yīng)力。德國(guó)A.Krost組采用低溫AlN插入層方法實(shí)現(xiàn)了3mm無(wú)微裂GaN層的MOCVD生長(zhǎng)，XRD的半高寬為400arcs。最近他們又得到7mm無(wú)微裂GaN層，幾乎滿(mǎn)足了所有器件應(yīng)用的需要。

　　目前，采用低溫AlN插入層被認(rèn)為是解決Si襯底GaN基材料微裂的最簡(jiǎn)單有效的方法。在實(shí)際的生長(zhǎng)過(guò)程中，也可以將幾種方法綜合在一起使用。

　　4.Si襯底GaN基器件的進(jìn)展

　　隨著Si襯底GaN材料生長(zhǎng)的逐漸發(fā)展，其各種器件的應(yīng)用也開(kāi)發(fā)出來(lái)，其中最重要的就是Si襯底GaN基LED。1998年IBM公司報(bào)道了第一次采用MBE生長(zhǎng)的材料制作Si襯底紫外和紫色GaN發(fā)光二極管，波長(zhǎng)分別為360nm和420nm。從300mm×300mm器件的I-V特性可知，其正向工作電壓很高，大于12V，這可能和p型摻雜以及p型接觸有關(guān)。1999年EMCORE公司采用MOCVD技術(shù)在Si襯底上選擇外延生長(zhǎng)InGaN/GaN多量子阱LED結(jié)構(gòu)，電熒光光譜波長(zhǎng)為465nm，半高寬為40nm，閾值電壓為4V，20mA時(shí)工作電壓為8V。2000年，美國(guó)南卡大學(xué)M.AsifKhan等人報(bào)道了在Si襯底上選擇性外延生長(zhǎng)InGaN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)LED的新進(jìn)展，LED結(jié)構(gòu)峰值波長(zhǎng)為465nm，半高寬為40nm，正向電阻比藍(lán)寶石襯底相同結(jié)構(gòu)高4倍，而光輸出強(qiáng)度比藍(lán)寶石襯底的LED強(qiáng)5倍，盡管結(jié)果還不理想，但其在適合低成本和大規(guī)模制造方面已是一項(xiàng)重大突破，讓人們看到了Si襯底LED商品化的曙光。

        同年，日本的名古屋理工學(xué)院采用常壓MOCVD技術(shù)生長(zhǎng)Si襯底LED，LED光熒光峰值波長(zhǎng)為430nm，半高寬為18nm（2002年報(bào)道實(shí)現(xiàn)光功率20mW輸出），從LED結(jié)構(gòu)的I-V特性可看出，其閾值電壓為3V，已經(jīng)和藍(lán)寶石襯底LED結(jié)構(gòu)相當(dāng)了。最近，德國(guó)的A.Krost等人在研究高亮度InGaN/GaN多量子阱LED過(guò)程中取得重大突破，2002年他們先后報(bào)道了采用低溫AlN插入層和SiNx插入層的方法實(shí)現(xiàn)LED輸出功率152mW和400mW，開(kāi)創(chuàng)了高亮度Si襯底LED的先河。此外，在LD方面，2002年Aachen，Minsk和Aixtron的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室首次實(shí)現(xiàn)了Si襯底InGaN/GaN多量子阱藍(lán)光激光器的光泵浦發(fā)光，該激光器波長(zhǎng)為447nm，最高工作溫度可達(dá)420K。

　　Si襯底GaN基材料除了在發(fā)光器件方面取得進(jìn)展外，在場(chǎng)效應(yīng)管、探測(cè)器等方面，西班牙的E.Calleja和美國(guó)加洲大學(xué)圣巴巴拉分校等科研人員也取得很大進(jìn)展。特別值得一提的是美國(guó)Nitronex公司最新在100mmSi襯底上實(shí)現(xiàn)高電子遷移率晶體管（HEMT），他們采用MOCVD外延技術(shù)生長(zhǎng)低缺陷密度GaN，其缺陷密度降低到105cm-3，器件室溫下二維電子氣遷移率大于1600cm2/V·s。

　　Si襯底GaN基材料的生長(zhǎng)技術(shù)及器件制造工藝已取得了商業(yè)應(yīng)用的實(shí)質(zhì)進(jìn)步和突破，但是Si襯底GaN基材料生長(zhǎng)過(guò)程的物理機(jī)制尚不清楚，GaN中的很多缺陷有待于進(jìn)一步研究。此外，歐姆接觸的接觸電阻還比較大，影響了器件的性能。相信寬禁帶半導(dǎo)體GaN基的系列光電子器件將在半導(dǎo)體工業(yè)中占據(jù)舉足輕重的地位。