论氮化物衬底材料的开发(2)

　　 GaN、AlN、InN及其合金等材料，是作为新材料的GaN系材料。对衬底材料进行评价，要就衬底材料综合考虑其因素，寻找到更加合适的衬底是作为发展GaN基技术的重要目标。

　　 一、评价衬底材料综合考虑因素

　　 评价衬底材料要综合考虑以下的几个因素：

　　 （1）衬底与外延膜的晶格匹配

　　 衬底材料和外延膜晶格匹配很重要。晶格匹配包含二个内容：

　　 · 外延生长面内的晶格匹配，即在生长界面所在平面的某一方向上衬底与外延膜的匹配；

　　 · 沿衬底表面法线方向上的匹配。

　　 （2）衬底与外延膜的热膨胀系数匹配

　　 热膨胀系数的匹配也很重要，外延膜与衬底材料在热膨胀系数上相差过大不仅可能使外延膜质量下降，还会在器件工作过程中，由于发热而造成器件的损坏。

　　 （3）衬底与外延膜的化学稳定性匹配

　　 衬底材料需要有相当好的化学稳定性，不能因为与外延膜的化学反应使外延膜质量下降。

　　 （4）材料制备的难易程度及成本的高低

　　 考虑到产业化发展的需要，衬底材料的制备要求简洁，而且其成本不宜很高。

　　 二、InN的外延衬底材料的研究与开发

　　 InN的外延衬底材料就现在来讲有广泛应用的，其中有：InN；α－Al2O3(0001)；6H-SiC；MgAl2O4(111)；LiAlO2和LiGaO2；MgO；Si ；GaAs(111)等。

　　 Ⅲ-Ⅴ族化合物，例如，GaN、AlN、InN，这些材料都有二种结晶形式：一种是立方晶系的闪锌矿结构，而另一种是六方晶系的纤锌矿结构。以蓝光辐射为中心形成研究热点的是纤锌矿结构的氮化镓、氮化铝、氮化铟，而且主要是氮化镓、氮化铝、氮化铟的固溶体。这些材料的禁带是直接跃迁型，因而有很高的量子效率。用氮化镓、氮化铝、氮化铟这三种材料按不同组份和比例生成的固溶体，其禁带宽度可在2.2eV到6.2eV之间变化。这样，用这些固溶体制造发光器件，是光电集成材料和器件发展的方向。

　　 （1）InN和GaN

　　 因为异质外延氮化物薄膜通常带来大量的缺陷，缺陷损害了器件的性能。与GaN一样，如果能在InN上进行同质外延生长，可以大大减少缺陷，那么器件的性能就有巨大的飞跃。

　　 自支撑同质外延GaN,AlN和AlGaN衬底是目前最有可能首先获得实际应用的衬底材料。

　　 （2）蓝宝石(α-Al2O3)和6H-SiC

　　 α-Al2O3单晶，即蓝宝石晶体。(0001)面蓝宝石是目前最常用的InN的外延衬底材料。其匹配方向为：InN(001)// α－Al2O3(001),InN[110]// α－Al2O3[100][11,12]。因为衬底表面在薄膜生长前的氮化中变为AlON,InN绕α－Al2O3(0001)衬底的六面形格子结构旋转30°，这样其失匹配度就比原来的29%稍有减少。虽然(0001)面蓝宝石与InN晶格的失配率高达25%，但是由于其六方对称，熔点为2050℃，最高工作温度可达1900℃，具有良好的高温稳定性和机械力学性能，加之对其研究较多，生产技术较为成熟，而且价格便宜，现在仍然是应用最为广泛的衬底材料。

　　 6H-SiC作为衬底材料应用的广泛程度仅次于蓝宝石。同蓝宝石相比，6H-SiC与InN外延膜的晶格匹配得到改善。此外，6H-SiC具有蓝色发光特性，而且为低阻材料，可以制作电极，这就使器件在包装前对外延膜进行完全测试成为可能，因而增强了6H-SiC作为衬底材料的竞争力。又由于6H-SiC的层状结构易于解理，衬底与外延膜之间可以获得高质量的解理面，这将大大简化器件的结构；但是同时由于其层状结构，在衬底的表面常有给外延膜引入大量的缺陷的台阶出现。

　　 （3）镁铝尖晶石(MgAl2O4)