GaN基半导体材料发展历史和现状

GaN基半导体材料发展历史和现状

20世纪90年代中期，日本日亚化学公司的Nakamura等人经过不懈努力突破了制造蓝光LED的关键技术。GaN基蓝色LED的出现，大大扩展了LED的应用领域，从此掀开了第三代半导体材料GaN基半导体照明的革命。

GaN材料具有许多Si基半导体材料所不具备的优异性能，具有禁带宽度大、高电子漂移饱和速度、导热性能好、化学稳定性高等优点,比较适合用于雷达、导弹、通信、潜艇、航空航天及石油、化工、钻探、核电站等领域的电子设备,对于抗辐射、耐高温、高频、微波、大功率器件,尤其是利用其大的禁带宽度制作的蓝色、绿色、紫外发光器件和光探测器件,具有极大地发展空间和广阔的应用市场GaN半导体材料。

衬底材料的选择

[1]结构特性好，外延材料与衬底的晶体结构相同或相近、晶格常数失配度小、结晶性能好、缺陷密度小；

[2]界面特性好，有利于外延材料成核且黏附性强；

[3]化学稳定性好，在外延生长的温度和气氛中不容易分解和腐蚀；

[4]热学性能好，包括导热性好和热失配度小；

[5]导电性好，能制成上下结构；

[6]光学性能好，制作的器件所发出的光被衬底吸收小；

[7]机械性能好，器件容易加工，包括减薄、抛光和切割等；

[8]价格低廉；

[9]大尺寸，一般要求直径不小于2英吋。

GaN器件目前存在的问题

GaN材料折射率（2.5），高于蓝宝石衬底（1.7）以及外部封装树脂（1.5） Snell定律è临界角23度

有源区产生的光子在GaN 上下界面发生多次全反射，严重降低器件的光提取效率。

大量不能出射的光转化为热能，提高节温，加剧晶格振动，影响内部量子效率，降低寿命。

提高外量子效率的方法

在p 型GaN材料或铟锡氧化物（ITO）层表面制作二维结构来提高器件的光提取效率；

在蓝宝石衬底的底面制作类似透镜阵列的结构来提高底面的光提取效率； 在蓝宝石衬底制作二维结构，然后生长GaN材料制作成器件。patterned sapphire substrates

研究表明，第三种方法同时具有提高内量子效率和提取效率的效果。

相对于普通蓝宝石衬底，在PSS衬底上生长氮化镓外延层可以减少外延缺陷，外延层晶体质量明显提高。另外，当光从外延层进入图形衬底时，会形成反射，从而改善GaN基发光二极管出光率。

基于PSS衬底的外延材料制成的LED器件参数表明，其20mA下光功率水平相比普通蓝宝石衬底制作的器件光功率增加约30％，因此采用PSS衬底是提高氮化镓基发光二极管出光效率的一种有效方法。

PSS衬底制备方法简介

PSS衬底图形的制作大多采用半导体工艺的光刻法，先将图形制作在衬底表面的遮挡层上，然后用干刻法或湿刻法将图形转移到蓝宝石衬底上0

采用光刻曝光的方法必须先制作光刻掩模版，一块光刻掩模版只能对应一个周期的结构0

光刻工艺分辨率比较低，不利于小周期图形的制作0

清洗è甩胶è匀胶è曝光è显影è定影è烘胶è刻蚀è洗胶è。。。。。。