蓝宝石晶体是第三代半导体材料GaN外延层生长最好的衬底材料之一
蓝宝石基氮化镓芯片制造工艺
蓝宝石基氮化镓芯片制造工艺
蓝宝石基氮化镓芯片制造工艺是一种用于制造高性能电子器件的工艺流程。
以下是一般的蓝宝石基氮化镓芯片制造工艺的步骤：
1. 衬底制备：首先将蓝宝石晶体切成薄片作为衬底材料。
蓝宝石晶体具有良好的热导性和机械稳定性，适合用作高功率和高频率电子器件的衬底。
2. 衬底清洗：将蓝宝石衬底通过化学处理和物理处理等方法进行清洗，去除表面的污垢和杂质，保证材料的纯净度。
3. 氮化镓外延生长：采用化学气相沉积（CVD）技术，在蓝宝石衬底上生长氮化镓（GaN）薄膜。
CVD技术通过在反应室中使氮化镓的前体气体与衬底表面相互反应，使氮化镓沉积在衬底上。
生长过程需要严格控制温度、气氛和气体流量等参数。
4. 氮化镓薄膜整形：将生长的氮化镓薄膜进行打磨和抛光，使其表面平整，并去除不均匀的区域和缺陷。
5. 制作电极：在氮化镓薄膜上通过光刻和蒸发沉积等工艺制作电极，用于连接电子器件的输入输出。
6. 刻蚀工艺：采用化学蚀刻或离子束刻蚀等方法，去除不需要的氮化镓材料，形成芯片上的电子器件的结构。
7. 器件封装：将芯片表面进行封装，保护电子器件并提供外部电路的连接。
以上是简单介绍的蓝宝石基氮化镓芯片制造工艺的一般步骤，实际的制造工艺会有更多的细节和特殊要求，以满足不同电子器件的性能目标和应用需求。
三种衬底材料比较
三种衬底材料比较对于制作LED芯片来说，衬底材料的选用是首要考虑的问题。
应该采用哪种合适的衬底，需要根据设备和LED器件的要求进行选择。
目前市面上一般有三种材料可作为衬底：·蓝宝石（Al2O3）·硅 (Si)碳化硅（SiC）蓝宝石衬底通常，GaN基材料和器件的外延层主要生长在蓝宝石衬底上。
蓝宝石衬底有许多的优点：首先，蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。
因此，大多数工艺一般都以蓝宝石作为衬底。
图1示例了使用蓝宝石衬底做成的LED芯片。
图1 蓝宝石作为衬底的LED芯片[/url]使用蓝宝石作为衬底也存在一些问题，例如晶格失配和热应力失配，这会在外延层中产生大量缺陷，同时给后续的器件加工工艺造成困难。
蓝宝石是一种绝缘体，常温下的电阻率大于1011Ω·cm，在这种情况下无法制作垂直结构的器件；通常只在外延层上表面制作n型和p型电极（如图1所示）。
在上表面制作两个电极，造成了有效发光面积减少，同时增加了器件制造中的光刻和刻蚀工艺过程，结果使材料利用率降低、成本增加。
由于P型GaN掺杂困难，当前普遍采用在p型GaN上制备金属透明电极的方法，使电流扩散，以达到均匀发光的目的。
但是金属透明电极一般要吸收约30%~40%的光，同时GaN基材料的化学性能稳定、机械强度较高，不容易对其进行刻蚀，因此在刻蚀过程中需要较好的设备，这将会增加生产成本。
蓝宝石的硬度非常高，在自然材料中其硬度仅次于金刚石，但是在LED器件的制作过程中却需要对它进行减薄和切割（从400nm减到100nm左右）。
添置完成减薄和切割工艺的设备又要增加一笔较大的投资。
蓝宝石的导热性能不是很好（在100℃约为25W/（m·K））。
因此在使用LED器件时，会传导出大量的热量；特别是对面积较大的大功率器件，导热性能是一个非常重要的考虑因素。
三种衬底材料比较
对于制作LED芯片来说，衬底材料的选用是首要考虑的问题。
应该采用哪种合适的衬底，需要根据设备和LED器件的要求进行选择。
目前市面上一般有三种材料可作为衬底：·蓝宝石（Al2O3）·硅 (Si)碳化硅（SiC）蓝宝石衬底通常，GaN基材料和器件的外延层主要生长在蓝宝石衬底上。
蓝宝石衬底有许多的优点：首先，蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。
因此，大多数工艺一般都以蓝宝石作为衬底。
图1示例了使用蓝宝石衬底做成的LED芯片。
图1 蓝宝石作为衬底的LED芯片[/url]使用蓝宝石作为衬底也存在一些问题，例如晶格失配和热应力失配，这会在外延层中产生大量缺陷，同时给后续的器件加工工艺造成困难。
蓝宝石是一种绝缘体，常温下的电阻率大于1011Ω·cm，在这种情况下无法制作垂直结构的器件；通常只在外延层上表面制作n型和p型电极（如图1所示）。
在上表面制作两个电极，造成了有效发光面积减少，同时增加了器件制造中的光刻和刻蚀工艺过程，结果使材料利用率降低、成本增加。
由于P型GaN掺杂困难，当前普遍采用在p型GaN上制备金属透明电极的方法，使电流扩散，以达到均匀发光的目的。
但是金属透明电极一般要吸收约30%~40%的光，同时GaN基材料的化学性能稳定、机械强度较高，不容易对其进行刻蚀，因此在刻蚀过程中需要较好的设备，这将会增加生产成本。
蓝宝石的硬度非常高，在自然材料中其硬度仅次于金刚石，但是在LED器件的制作过程中却需要对它进行减薄和切割（从400nm减到100nm左右）。
添置完成减薄和切割工艺的设备又要增加一笔较大的投资。
蓝宝石的导热性能不是很好（在100℃约为25W/（m·K））。
因此在使用LED器件时，会传导出大量的热量；特别是对面积较大的大功率器件，导热性能是一个非常重要的考虑因素。
氮化镓衬底
氮化镓这是一种具有较大禁带宽度的半导体,属于所谓宽禁带半导体之列。
它是微波功率晶体管的优良材料，也是蓝色光发光器件中的一种具有重要应用价值的半导体。
简介GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点，是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，并与SIC、金刚石等半导体材料一起，被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。
它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好（几乎不被任何酸腐蚀）等性质和强的抗辐照能力，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。
化学式GaNGaN材料的特性总述GaN是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为1700℃，GaN具有高的电离度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5或0.43）。
在大气压力下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。
它在一个元胞中有4个原子，原子体积大约为GaAs的一半。
因为其硬度高，又是一种良好的涂层保护材料。
化学特性在室温下，GaN不溶于水、酸和碱，而在热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶解。
NaOH、H2SO4和H3PO4能较快地腐蚀质量差的GaN，可用于这些质量不高的GaN 晶体的缺陷检测。
GaN在HCL或H2气下，在高温下呈现不稳定特性，而在N2气下最为稳定。
结构特性表1列出了纤锌矿GaN和闪锌矿GaN的特性比较。
电学特性GaN的电学特性是影响器件的主要因素。
未有意掺杂的GaN在各种情况下都呈n型,最好的样品的电子浓度约为4×1016/cm3。
一般情况下所制备的P型样品，都是高补偿的。
很多研究小组都从事过这方面的研究工作，其中中村报道了GaN最高迁移率数据在室温和液氮温度下分别为μn=600cm2/v·s和μn= 1500cm2/v·s，相应的载流子浓度为n=4×1016/cm3和n=8×1015/cm3。
徐军光电产业中的蓝宝石晶体-大连2012年9月
提高器件的量子效率
非极性的意义---极性薄膜的缺点
c-GaN薄膜 自发极化 压电效应 量子阱中能 带发生畸变 电子空穴辐射 复合几率降低 严重影响 发光效率
C面GaN有源层，非中心对称晶体结构 静电场来源：自发极化和压电效应
解决办法：M面和a面GaN中无极化
2012年7月11日，韩国首尔半导体日前 发布非极性（Non-polar）技术LED芯 c plane(0001) 片‘nPola’ ，可在和现有LED芯片同 r plane(1 102) 等面积的情况下亮度（亮度，并非为业 内所传的发光效率）大幅提高至500lm。 n plane(1123)
1990
2005
2010
2015
2020
LED用蓝宝石需求总量分析
2012年全球MOCVD为2744台，蓝宝石衬底市场规模约为7亿美元/年，图 形化后14亿美元/年。当前大部分公司还是以2英寸衬底为主，一些公司使 用3-4英寸衬底，5-6英寸衬底的制造也已经开始起步。 2015年全球MOCVD为5000台，蓝宝石衬底市场规模约为14亿美元/年，图 形化后28亿美元/年。
(b) 生长方向为[1120]
所有生长方法均很难直接生长c向 蓝宝石晶体
样品的测试与分析（导模法片子）
其力学性能，11# 和10# 是失效的，8#和4#达到要求（窗口材料）
Sample / Test Name Bending Stress Bending Load Breaking Stress Sample 11# 1158.800 Mpa 420.258 N Sample 10# 1340.126 Mpa 465.019 N Sample 8# 6540.331 Mpa 2371.960 N Sample 4# 10904.58 Mpa 3954.731 N
分子束外延生长AlGaNGaN异质结与性能表征
分子束外延生长AlGaN/GaN异质结与性能表征以GaN为代表的第三代半导体材料在高频高压领域的应用远优于第一代和第二代半导体。
而且由于自发极化和压电极化效应,第三代半导体材料在AlGaN/GaN异质结界面会形成高浓度二维电子气,在高电子迁移率晶体管HEMT器件方面有非常大的应用前景。
常见异质结外延手段有MOCVD、MBE和HVPE三种方法,其中MBE相对于其他两种外延手段外延精度更高,温度更低,适合于生长超薄外延层。
本文通过MBE 外延蓝宝石基AlGaN/GaN异质结,主要研究成果如下:1.蓝宝石基AlGaN/GaN异质结结构包括GaN缓冲层、AlN插入层、AlGaN势垒层和GaN盖帽层。
MBE外延势垒层时Ga源束流保持不变,通过控制Al源束流来控制势垒层组分,发现势垒层组分在0.247时异质结表现出二维电子气效应,室温(300K)最高迁移率为1020cm2/Vs。
MBE外延插入层时通过控制插入层生长时间来控制插入层厚度,当插入层厚度在1.19nm时异质结二维电子气输运特性最好,低温迁移率最高为3836cm2/Vs。
2.优化势垒层组分及插入层厚度等条件后的样品表征结果如下:(1)异质结势垒层精确组分为0.242。
(2)材料表面粗糙度为0.441 nm,界面均方根粗糙度为0.335nm。
(3)GaN缓冲层厚度为610nm,AlN插入层厚度为1.19nm,AlGaN势垒层厚度为20.2nm,GaN盖帽层厚度为6.13nm。
(4)异质结体材料平均位错密度为2.2×109/c1cm2,其中平均刃型位错密度为3.7×108/cm2,平均螺型位错密度为1.8×109/cm2,材料中螺型位错起主要作用。
异质结界面处位错密度为3.3×109/cm2,其中螺型位错密度为1.1×109/cm2,刃型位错密度为2.2×109/cm2,界面上刃型位错起主要作用。
AlN晶体
晶体简介ＡｌＮ晶体是第三代半导体材料的典型代表之一，具有宽带隙、高热导率、高电阻率、良好的紫外透过率、高击穿场强与较强的抗辐射能力，因而更适合用于制造高温、高频、抗辐射及大功率器件，如高能效光电子器件、高功率电子器件、固态激光探测器、高密度固态存储器等。
同时，ＡｌＮ晶体也是外延生长Ⅲ族氮化物的理想衬底材料，能够弥补Ｓｉ衬底、蓝宝石衬底、ＳｉＣ衬底等所存在的晶格失配大、热失配大的缺点。
国际状况国外多家研究机构进行了大量的工作，在晶体的尺寸、商品级ＡｌＮ晶圆的开发以及紫外ＬＥＤ的研制等方面取得了一定的成果。
美国ＣｒｙｓｔａｌＩＳ公司制备的高质量ＡｌＮ衬底已成功应用于紫外ＬＥＤ、深紫外量子阱ＬＥＤ以及毫瓦级深紫外ＬＥＤ等器件的制造。
俄罗斯Ｎ－Ｃｒｙｓｔａｌｓ公司也利用商品级ＡｌＮ衬底，制造了深紫外ＬＥＤ，其性能明显优于利用蓝宝石衬底制造的同类器件。
德国埃朗根－纽伦堡大学进行的研究包括籽晶晶向对ＡｌＮ生长的影响、ＡｌＮ晶圆的光吸收图谱分析，到２０１１年已利用ＡｌＮ籽晶生长出直径为２５ｍｍ、厚度为１５ｍｍ的ＡｌＮ体单晶。
美国北卡罗莱纳州立大学于２０１０年获得了直径为１５ｍｍ、高度为１５ｍｍ的无裂纹ＡｌＮ晶圆，并于２０１１年利用ＡｌＮ衬底外延生长了高质量的ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ薄膜等ＡｌＮ。
同年的工作还包括完成了２６５ｎｍＬＥＤ的制造与表征。
国内状况国内对于ＡｌＮ晶体生长技术的研究尚处于起步阶段，主要研究机构有山东大学、中国科学院半导体研究所、中国科学院物理研究所、深圳大学光电子研究所等。
２００６年，山东大学研究了在ＢＮ坩埚内制备ＡｌＮ单晶，着重分析了生长温度对晶体形貌的影响，其中，在２２００～２３００℃得到了长度为几毫米的块状晶体。
２００７年，中国科学院半导体研究所利用物理气相传输法制备出长４０～５０ｍｍ、厚８～１０ｍｍ的多晶锭。
深圳大学郑瑞生教授的小组报道了一种制备ＡｌＮ晶体的新方法，通过在钨坩埚盖中心位置开小孔来控制反应条件与结晶过程，制备出直径大于２ｍｍ的ＡｌＮ单晶。
在蓝宝石衬底上外延生长GaN薄膜的MOCVD工艺研究
摘要第三代半导体材料GaN由于具有优良性质使其在微电子和光电子领域有广阔的应用前景，目前制备GaN的方法主要有分子束（MBE）、氯化物气相外延（HVPE）、金属有机物化学气相沉积（MOCVD）。
本文介绍了MOCVD法在蓝宝石衬底上外延生长GaN材料并利用其无掩模横向外延生长GaN 薄膜与同样生长条件下，在未经腐蚀预处理的蓝宝石衬底上外延的GaN 薄膜进行对比测试[1]。
测试分析结果表明，经过腐蚀预处理的GaN 衍射峰的半峰宽及强度、表面平整度、腐蚀坑密度都明显优于未经腐蚀预处理的GaN 薄膜，使原有生长条件下GaN薄膜位错密度下降50%。
并且通过Hal l 测试、x 射线双晶衍射结果、室温PL 谱测试[2]成功地制备出GaN单晶薄膜材料, 取得了GaN 材料的初步测试结果。
测试研究发现增加缓冲层厚度、多缓冲层结构可以有效地降低位错密度、提高薄膜质量，其中通过中温插入层结构实验获得了质量最好的GaN 外延层[3]。
关键字：GaN MOCVD 蓝宝石衬底预处理缓冲层外延生长STUDY OF EPITAXIAL LATERAL OVERGROWTH OF GALLIUM NITRIDE ON SAPPHIRE BYMOCVDByHaiqing JiangSupervisor: Prof.Xianying DaiABSTRACTGallium-nitride-semiconductor offers good potential value for application in a wide range of optical display, optical recording and illumination due to its excellent quality. At present, molecular beam epitaxity (MBE), Chloride vapor phase epitaxy (HVPE) and metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) are used to prepare GaN.This text introduces overgrowth of Gallium-nitride on sapphire by MOCVD and compares the result with that on non-corrode sapphire. The results proved that thinner full-width at half- maximum(FWHM)，higher intensity value of X-ray diffraction，smoother surface and lower density value of the etching pit were received using patterned substrate, which made sure that under the same growth process the density of the dislocations decreased 50%.After that, it also uses Hall Test, X-ray macle diffraction Test, and PL Spectrum Test under room temperature to check the GaN thin-film material. The results showed that multi-buffer-layer structure could decrease the density of the dislocations and improve the quality of the crystal structure. The GaN epilayer with Intermediate-Temperature insert layer had the best results of all the samples.KEY WORDS: GaN MOCVD surface pretreatment on sapphire substrate cushion epitaxial growth第一章绪论1.1GaN 材料的基本特性1.2现有的GaN 基化合物的制备技术1.3GaN 现有制备技术对比第二章 MOCVD 中影响成膜因素第三章蓝宝石衬底表面预处理3.1蓝宝石衬底与处理的原因3.2实验探究与结果分析第四章研究缓冲层结构及其改进4.1传统缓冲层及其局限4.2实验探究及其结果分析第五章GaN 薄膜的生长研究5.1GaN材料的生长5.2生长的GaN 材料的测试结果第六章结论致谢参考文献第一章绪论1.1GaN 材料的基本特性GaN 首先由Johnson 等人合成，合成反应发生在加热的Ga 和NH3 之间，600~900℃的温度范围，可生成白色、灰色或棕色粉末(是含有O 或未反应的Ga 所致)[4]。
GaN介绍及技术 0410(2)
位错密度：小于1× 107 cm-2 TTV：≦ 10 µ m BOW：≦ 15 µ m
• 自支撑GaN单晶衬底
厚度： 400.0μm ± 30.0μm，
300μm ± 30.0 μm，
位错密度：小于5× 106 cm-2 TTV：≦ 10 µ m BOW：≦ 15 µ m 粗糙度：Ra≤0.2 nm
采用二维材料作为位错阻断层，晶体 质量得到非常明显的提高
同类研究
日本住友电气、法国Lumilog 2英寸GaN单晶衬底片位错密度107/cm²
衬底制备技术工艺复杂， 成本较高
未有相关研究报道
研究成果与他人评价
本项目研究内容在SPSSM-5国际会议上进行了学术邀请报告。
引用的刊物包括Chemical Society Reviews，ACS Nano, Physical Chemistry Chemical Physics, Nanotechnology, Progress in Materials Science，Nanoscale， CrystEngComm，Applied Physics Letters等权威期刊。
氮化镓单晶衬底介绍
2017年4月
目录
一．GaN特点及应用介绍 二．产品及技术优势 三．技术平台及团队
一、GaN特点及应用介绍
半导体材料及器件的发展
第一代半导体材料 ---Si、Ge为主的 元素半导体
LED蓝宝石图形化衬底制备工艺研讨
LED蓝宝石图形化衬底制备工艺研讨摘要：随着社会经济的不断发展，能源的需求量不断增加，为了能够将有效降低能源的损耗，实现能源的可持续发展目标，我国对于节能环保事业的发展尤为的关注。
基于科学技术的发展，我国在照明领域开展的环保事业发展取得了一定的成就。
例如LED的研发和应用，其在使用的过程中不仅节能环保，同时也体积比较小，且功能时效时间比较长，与普通的照明源对比来讲更具有发展前景。
经过技术研发人员的不懈努力，找到了一种能够有效提升LED出光率的新技术，即通过蓝宝石图形化衬底实现LED高出光率的目标，为LED广泛应用于多个领域地奠定了坚实的基础。
本文通过对蓝宝石图形化衬底提升LED出光率的机理、表面微结构对LED发光率的影响进行了分析，并探讨了LED蓝宝石图形化衬底的制作过程。
关键词：LED；蓝宝石图形衬底；制备工艺引言：随着物质生活水平的提升，社会群众对于环保节能产业的发展也越发地关注，只有合理控制能源的消耗，才能够有效地提升能源和生态环境可持续发展的潜力。
环保节能在各行各业的发展中都是非常重要战略目标。
在照明领域最显著的发展便是LED的发展与应用，因为其具备良好的性能，尤其在环保节能方面表现出来的优势得到了社会群众的认可，所以被推广到很多的领域的实际应用当中，例如用于一般的照明、LCD背光源等。
随着蓝宝石图形化衬底制备工艺的不断发展，让LED制备白光逐渐成了现实，对于LED的进一步推广和应用有着非常显著的作用。
值得一提的是，LED虽然作为一种特别的固态光源与当前的社会环境倡导节能减排的理念具有极高的契合度，但是在LED实际的发展与应用中还是存在着一些问题，只有技术研发人员加强对LED的创新和优化，才能够为LED的广泛应用，在照明领域代替当前的所使用的传统光源。
为环保节能社会的建设提供良好的支持。
1.LED蓝宝石图形化衬底提高GaN基LED出光率的作用机理1.1降低GaN外延层位错密度在LED衬底材料中蓝宝石所具备的机械性能、可靠性以及易控制特性远超过其他的衬底材料，如单晶硅、单晶碳化硅等。
不同种类蓝宝石衬底上AlGaN-GaN异质结构的外延生长及特性研究
不同种类蓝宝石衬底上AlGaN-GaN异质结构的外延生长及特性研究近年来，GaN（氮化镓）材料因其在光电器件领域中的广泛应用，引起了科学家们的极大关注。
GaN材料具有优异的物理性能，包括宽禁带宽度、高热稳定性、高饱和电子迁移率等特点，因此被广泛用于高功率、高频率和高温电子器件中。
然而，GaN材料的外延生长工艺一直是研究者关注的重点之一。
外延生长是将一种材料沉积在另一种晶体衬底上，以形成具有特定晶体结构和性能的材料薄膜。
在GaN材料的外延生长中，选择合适的衬底对薄膜质量具有重要影响。
本文首先简要介绍了GaN材料及其在光电器件中的应用。
然后，介绍了蓝宝石衬底作为常用的外延衬底之一，以及其在GaN材料外延生长中所面临的问题。
由于蓝宝石衬底晶格参数与GaN材料的不匹配，导致了晶格缺陷的产生。
这些缺陷会显著影响GaN材料的光学、电学和热学性能。
针对这个问题，科学家们开始研究其他材料衬底，以寻找更好的替代品。
在这些研究中，AlGaN/GaN异质结构引起了广泛关注。
这种结构是通过在GaN材料上生长一层AlGaN 来实现的。
AlGaN/GaN异质结构可以抑制晶格缺陷的形成，提升材料质量。
实验中，研究人员利用金属有机化学气相外延（MOCVD）技术在不同种类的蓝宝石衬底上生长AlGaN/GaN异质结构。
然后，通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）等表征手段，对外延薄膜的形貌和结晶质量进行了分析。
实验结果表明，在不同种类的蓝宝石衬底上，成功生长了高质量的AlGaN/GaN异质结构。
准均匀的薄膜表面和良好的结晶性能表明，选择适当的外延衬底对于提升GaN材料质量具有重要作用。
此外，通过使用适当的外延条件，可以进一步改善异质结构的质量。
除了形貌和结晶性能的研究，研究人员还对不同衬底生长的AlGaN/GaN异质结构进行了电学性能表征。
通过测量薄膜的电阻率和载流子浓度等参数，可以评估材料的电学性能。
实验结果表明，选用不同种类的蓝宝石衬底对AlGaN/GaN异质结构的电学性能有一定影响。
MOCVD生长GaN基蓝光LED外延片的研究
LED外延片及知名生产企业介绍外延生长的大体原理是，在一块加热至适当温度的衬底基片（要紧有蓝宝石（Al2O3）和SiC，Si）上，气态物质In,Ga,Al,P有操纵的输送到衬底表面，生长出特定单晶薄膜。
目前生长技术要紧采纳有机金属化学气相沉积方式。
大体原理Ⅲ-V族氮化合物InN、GaN、AIN及其合金材料，其带隙宽度从至，覆盖了可见光及紫外光光谱的范围。
GaN材料系列是一种理想的短波长发材料，对GaN材料的研究与应用是现今全世界研究的前沿和热点，市场上的及紫光LED都是采纳GaN基材料生产出来的。
GaN是极稳固的化合物和坚硬的高熔点材料，也是直接跃迁的宽带隙半导体料，不仅具有良好的物理和化学性质，而且具有电子饱和速度高、热导率好、禁带宽度大和介电常数小等特点和强的抗辐照能力，可用来制备稳固性能好、寿命长、耐侵蚀和耐高温的大器件，目前普遍应用于子、蓝光LED、紫光探测器、高温大功率器件和高频微波器件等光电器件。
制备高质量的GaN基材料和薄膜材料，是研制和开发发光外延材料及器件性能的前提条件。
目前市场上尚未哪家公司能生产两寸的高质量的GaN单晶衬底，即便有GaN单晶衬底，价钱也相当的昂贵。
此刻大多数公司利用的衬底材料都是兰宝石（Al2O3），尽管它与GaN失配达%，在兰宝石衬底上生长的GaN 薄膜材料会有超级高的位错密度，但本钱低、价钱低廉，工艺也比较成熟，在高温下有良好的稳固性。
工艺金属有机物化学气相淀积（Metal-OrganicChcalVaporDeposition，简称 MOCVD）， 1968年由美国洛克威尔公司提出来的一项制备化合物单品薄膜的新技术。
该设备集周密机械、半导体材料、真空电子、流体力学、、化学、多学科为一体，是一种程度高、价钱昂贵、技术集成度高的尖端子专用设备，要紧用于GaN（氮化镓）系半导体材料的外延生长和蓝色、绿色或紫外发光二极管芯片的制造，也是光电子行业最有进展前途的专用设备之一。
蓝宝石衬底上高质量AlN材料生长研究
华中科技大学硕士学位论文蓝宝石衬底上高质量AlN材料生长研究姓名：冯超申请学位级别：硕士专业：光学工程指导教师：陈长清2011-01-04华中科技大学硕士学位论文摘 要Ⅲ族氮化物以其优异的特性得到广泛关注，AlGaN体系材料对应发光波长在210-340nm，适合可应用于白光照明、生化检测、消毒净化等领域的紫外发光器件，成为目前研究的热点。
而AlGaN材料，由于体单晶的缺失，一般采用AlN作为生长模板。
因此，要得到适用制作器件的高质量AlGaN材料，制备高质量AlN材料成为必须要首先解决的难题。
AlN薄膜异质外延，常采用SiC、Si或蓝宝石作为衬底材料。
而AlN与这些材料不匹配，晶体质量很差。
本文围绕高质量AlN材料的生长展开，采用两步法生长，主要研究缓冲层生长参数对外延层的影响。
首先详细阐述MOCVD生长原理，本实验所用的表征设备HR-XRD、AFM等及数据处理方法。
根据AlN材料的特性，分析衬底选择、表面预处理、反应腔压力、V/III比等对AlN生长影响，确定相关生长参数。
然后探讨缓冲层生长温度对外延层结晶质量和表面形貌的影响。
在600℃~870℃区间内选取不同温度生长6个样品，而保持其他生长参数不变。
用透射谱、AFM、HR-XRD等检测，发现在690℃~780℃时表面出现原子级台阶，尤其在780℃，晶体质量比较好。
温度较低，位错密度大；温度较高，表面粗糙，出现许多小坑。
进一步改变缓冲层生长时间，来研究缓冲层厚度的作用。
生长3个样品，生长时间为4.4分钟时，样品(0002)面FWHM为116arcsec，(1012)面FWHM为1471arcsec，并且表面出现原子级台阶。
而外延层较薄较厚，表面均未出现台阶，晶体质量和表面形貌均很差。
根据这两组实验结果，分析缓冲层对外延层的作用机理。
最后在前面实验较好的生长模板上，采用连续方式生长一层高温AlN。
通过两组实验，在不同生长温度下，改变TMAl和NH3流量、V/III比等来初步探讨连续生长方式对AlN质量的影响。
蓝宝石衬底介绍
蓝宝石衬底介绍led用衬底材料一般有蓝宝石衬底，碳化硅衬底及硅衬底三种，其中蓝宝石衬底应用最广泛，因为其加工方法以及加工成本等与其他两种相比较都有不小的优势。
虽说在晶格匹配上面是氮化镓衬底砷化镓衬底最为匹配，但其生产加工方法要比碳化硅及硅等都更难上加难。
目前，GaN基LED的衬底材料很多，但可用于商业化的衬底只有蓝宝石和碳化硅两种。
Gan、Si和ZnO等其他衬底仍处于研发阶段，离工业化还有一定距离。
一、红黄光led红色LED主要有gap（二元系）、AlGaAs（三元系）和AlGaInP（四元系）。
Gap和GaAs主要用作衬底，蓝宝石Al 2O 3和硅衬底尚未工业化。
1、gaas衬底：在使用lpe生长红光led时，一般使用algaas外延层，而使用mocvd生长红黄光led时，一般生长alingap外延结构。
外延层生长在gaas衬底上，由于晶格匹配，容易生长出较好的材料，但缺点是其吸收这一波长的光子，布拉格反射镜或晶片键合技术被用于消除这种额外的技术问题。
2.Gap衬底：当使用LPE生长红色和黄色LED时，通常使用Gap外延层，波长范围为565-700nm；当使用VPE生长红色和黄色LED时，生长GaAsP外延层，波长在630-650nm之间；当使用MOCVD时，通常会生长AlInGaP外延结构。
这种结构解决了GaAs衬底光吸收的缺点，直接在透明衬底上生长LED结构，但缺点是晶格失配。
生长InGaP和AlGaInP结构需要缓冲层。
此外，基于gap的iii-n-v材料体系也引起了广泛的兴趣。
这种材料结构不仅可以改变带宽，而且当只添加0.5%的氮时，也可以改变带隙从间接到直接，并且在红色区域（650 nm）有很强的发光效应。
使用这种结构制造led，可以从Gan P晶格匹配异质结构一步外延形成led结构，并且可以省略GaAs衬底去除和晶圆键合透明衬底的复杂过程。
二、蓝绿光led用于氮化镓研究的衬底材料很多，但只有两种可用于生产的衬底，即蓝宝石al2o3和碳化硅SiC。
蓝宝石晶体是第三代半导体材料GaN外延层生长最好的衬底材料之一
蓝宝石晶体是第三代半导体材料GaN外延层生长最好的衬底材料之一，其单晶制备工艺成熟。
GaN为蓝光LED制作基材。
一、GaN外延层的衬底材料1、SiC与GaN晶格失配度小，只有3.4%，但其热膨胀系数与GaN差别较大，易导致GaN外延层断裂，并制造成本高，为蓝宝石的10倍。
2、Si成本低，与GaN晶格失配度大，达到17%，生长GaN比较难，与蓝宝石比较发光效率太低。
3、蓝宝石晶体结构相同（六方对称的纤锌矿晶体结构），与GaN晶格失配度大，达到13%，易导致GaN 外延层高位错密度（108—109/cm2）。
为此，在蓝宝石衬底上AlN或低温GaN外延层或SiO2层等，先进方法可使GaN外延层位错密度达到106/cm2水平。
二、蓝宝石、GaN的品质对光致发光的影响蓝宝石单晶生长技术复杂，获得低杂质、低位错、低缺陷的单晶比较困难。
蓝宝石单晶质量对GaN外延层的质量有直接的影响，其杂质和缺陷会影响GaN外延层质量，从而影响器件质量（发光效率、漏电极、寿命等）。
蓝宝石单晶的位错密度一般为104/cm2数量级，它对GaN外延层位错密度（108—109/cm2）影响不大。
三、蓝宝石衬底制作主要包括粘片、粗磨、倒角、抛光、清洗等，将2英寸蓝宝石衬底由350—450μm（4英寸600μm左右）减到小于100μm（4英寸要厚一些）四、蓝宝石基板市场上2英寸蓝宝石基板的主要技术参数：高纯度—— 99.99%以上（4—5N）晶向——主要是C面，C轴（0001）±0.3°翘曲度——20μm厚度——330μm—430μm±25μm表面粗糙度—— Ra<0.3nm背面粗糙度——Ra<1μm（不是很严格）yq_chu666 at 2010-7-06 08:53:02这是美国公司的要求吧？如何降低翘曲、弯曲呀？ljw.jump at 2010-7-06 16:41:37国内做蓝宝石的厂家我知道有个不错的，在安徽吧qw905 at 2010-7-06 18:26:50还是哈工大与俄罗斯合作的泡生法-钻孔取棒最成功！qw905 at 2010-7-06 18:29:06一篇蓝宝石研发总结藍寶石單晶生長技術研發Sapphire Crystal Instruction.pdf(2010-07-06 18:29:06, Size: 1.67 MB, Downloads: 28)HP-led at 2010-7-20 12:00:50在云南，不过他去年不咋地，今年慢慢恢复生产caso at 2010-7-20 15:43:43好像江苏这边的天龙光电蓝宝石生长已经开始产业化了啊hu886 at 2010-7-21 17:07:08国内长晶棒的都没有批量生产的吧，也不见哈工大的产品，只是听说做的怎么地怎么地好HP-led at 2010-8-29 18:34:23做GaN衬底的，目前只看到蓝晶的衬底。
蓝宝石衬底基片工艺检测质量指标、方法及设备的研究进展
蓝宝石衬底基片工艺检测质量指标、方法及设备研究蓝宝石（α-Al203）晶体具有硬度高（莫氏９级）、熔点高（2045℃）、光透性好、热稳定性好、化学性质稳定等优良特性，而在国防、航空航天、工业以及生活领域中得到广泛应用，特别适于作为LED(Light Emitting Diode )衬底材料[1-2]。
蓝宝石衬底基片，其质量对后续GaN外延层的生长以及制备蓝光二极管的性能和成品率有很大的影响[3-4]，高品质LED产品的生产首先要保证衬底基片的质量。
生产高质量衬底基片，不仅要改进衬底基片制备工艺技术，衬底基片质量的检测技术也是一个非常重要的环节。
研究蓝宝石衬底基片检测技术，不仅可以通过质量检测来筛选合格的衬底基片，更重要的是通过检测发现衬底基片制备工艺技术的不足，推动衬底基片加工技术的发展和提升衬底基片的质量。
蓝宝石衬底基片的每道工序都有相应的检测质量指标。
检测就是根据衬底基片的标准或检测规程对晶体原料、中间产品、成品进行观察，适时进行测量，并把所得到的特性值和规定值作比较，判定衬底基片合格与不合格的技术性检查活动。
目前关于硅单晶质量检测方面的研究较多，有的已经成为标准规范，但针对用作第三代半导体材料GaN衬底片的蓝宝石衬底基片质量检测方面的研究和文献资料却很少。
鉴此，本文将蓝宝石衬底基片的工艺检测分为四个主要部分来描述：生长工艺、掏棒切片工艺、研磨抛光工艺和清洗工艺，对蓝宝石衬底基片的质量检测指标、检测方法及检测设备的发展现状和趋势等方面问题进行了深入研究，并结合工程实际进行了系统地分析，对蓝宝石衬底基片的检测技术的发展做出了引导性的总结。
1 生长工艺质量指标及检测蓝宝石单晶生长过程中的质量指标主要分为宏观质量检测指标和微观质量检测指标，宏观质量指标主要包括：1）固体包裹物/气泡空腔，固体包裹物是晶体中某些与基质晶体不同的物相所占据的区域，气泡空腔则是晶体内部类似于固体包裹物中间空洞的结构。
一般采用光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、氦氖激光器等，通过光学显微镜法、SEM法、氦氖激光法等方法对缺陷的形貌、分布情况和尺寸大小进行检测分析，实际操作中需要对晶体的不同区域进行取样分析，这样才能较全面的得到缺陷含量的整体状况；2）裂隙裂纹，采用日本理学X-ray衍射仪（D/max-ⅡB型），通过X一ray粉末衍射分析法进行检测，此方法也较好的用于固体包裹物和气泡空腔的检测方法；3)纯度，晶体内有效成分Al2O3和杂质成分在晶体中所占的比例关系，半导体材料GaN衬底用蓝宝石单晶纯度要达到99.999%以上。
蓝宝石衬底上HVPE_GaN厚膜生长
0. 5
1. 0
903
生长时间/ mi n 10 60 60 60
HCl (g)
+
Ga (s)
=
Ga Cl (g)
+
1 2
H2 ( g)
Ga Cl (g) + N H3 (g) = GaN (s) + HCl (g) + H2 (g) 衬底生长前依次经过三氯乙烯 、丙酮 、酒精去除
油脂 ,再于 H2 SO4 : H3 PO4 = 3 :1 的混合液中加热腐 蚀 ,然后用去离子水反复冲洗 、甩干 , 装于反应室中 等待生长. 生长实验共分以下 4 部分进行 ,其各自的 生长条件列于表 1.
图 1 竖直式 HV PE 反应系统图 Fig. 1 Vertical HV PE reaction system
3 国家自然科学基金资助项目 (批准号 :2004AA311040) 通信作者. Email : mapi ng @se mi . ac . c n
2006211227 收到 , 2006212211 定稿
图 3 外延层厚度分布 b:实验 2 样品 ; c :实验 3 样品 Fig. 3 Thickness dist ributio n of t he epilayer b: Scheme two ; c : Scheme t hree
904
半 导 体 学 报
第 28 卷
图 5 方案 3 样品形貌 (a) 开裂及外来颗粒 ; (b) 表面外来颗 粒增加 Fig. 5 Morp hology of scheme t hree (a) Crack and fo reign grains ; (b) Added fo reign grains on epilayer
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蓝宝石晶体是第三代半导体材料GaN外延层生长最好的衬底材料之一，其单晶制备工艺成熟。
GaN为蓝光LED制作基材。
一、GaN外延层的衬底材料
1、SiC
与GaN晶格失配度小，只有3.4%，但其热膨胀系数与GaN差别较大，易导致GaN外延层断裂，
并制造成本高，为蓝宝石的10倍。
2、Si
成本低，与GaN晶格失配度大，达到17%，生长GaN比较难，与蓝宝石比较发光效率太低。
3、蓝宝石
晶体结构相同（六方对称的纤锌矿晶体结构），与GaN晶格失配度大，达到13%，易导致GaN 外延层高位错密度（108—109/cm2）。
为此，在蓝宝石衬底上AlN或低温GaN外延层或SiO2层等，先进方法可使GaN外延层位错密度达到106/cm2水平。
二、蓝宝石、GaN的品质对光致发光的影响
蓝宝石单晶生长技术复杂，获得低杂质、低位错、低缺陷的单晶比较困难。
蓝宝石单晶质量对GaN外延层的质量有直接的影响，其杂质和缺陷会影响GaN外延层质量，从而影响器件质量（发
光效率、漏电极、寿命等）。
蓝宝石单晶的位错密度一般为104/cm2数量级，它对GaN外延层位错密度（108—109/cm2）影
响不大。
三、蓝宝石衬底制作
主要包括粘片、粗磨、倒角、抛光、清洗等，将2英寸蓝宝石衬底由350—450μm（4英寸600μm
左右）减到小于100μm（4英寸要厚一些）
四、蓝宝石基板
市场上2英寸蓝宝石基板的主要技术参数：
高纯度—— 99.99%以上（4—5N）
晶向——主要是C面，C轴（0001）±0.3°
翘曲度——20μm
厚度——330μm—430μm±25μm
表面粗糙度—— Ra<0.3nm
背面粗糙度——Ra<1μm（不是很严格）
yq_chu666 at 2010-7-06 08:53:02
这是美国公司的要求吧？
如何降低翘曲、弯曲呀？
ljw.jump at 2010-7-06 16:41:37
国内做蓝宝石的厂家我知道有个不错的，在安徽吧
qw905 at 2010-7-06 18:26:50
还是哈工大与俄罗斯合作的泡生法-钻孔取棒最成功！
qw905 at 2010-7-06 18:29:06
一篇蓝宝石研发总结
藍寶石單晶生長技術研發Sapphire Crystal Instruction.pdf
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HP-led at 2010-7-20 12:00:50
在云南，不过他去年不咋地，今年慢慢恢复生产
caso at 2010-7-20 15:43:43
好像江苏这边的天龙光电蓝宝石生长已经开始产业化了啊
hu886 at 2010-7-21 17:07:08
国内长晶棒的都没有批量生产的吧，也不见哈工大的产品，只是听说做的怎么地怎么地好
HP-led at 2010-8-29 18:34:23
做GaN衬底的，目前只看到蓝晶的衬底。
其他家拉单晶的，没看到过他们的产品。
不知道是不
屑于做，还是说只做军工，还是说忽悠。