近年來,新型寬禁帶化合物半導體材料的發展迅速,特別是GaN材料。因其具有較好的化學穩定性和熱穩定性,在光電子應用領域一直備受關注。由于大尺寸的GaN 單晶材料很難獲得,通常都通過異質外延方法獲取高質量的GaN 材料。一般襯底的選擇都需遵循一系列的原則,例如晶體結構是否一致、晶格常數和熱膨脹系數是否匹配等。目前,器件量級的GaN 基材料很多是生長在藍寶石襯底上或Si襯底之上的。
藍寶石是GaN外延方面使用最早且最普遍的襯底,主要是因為藍寶石同樣具有穩定的化學和物理性質。而且,藍寶石還具有光學特性好、成本適中等優點,在各個領域均被廣泛地使用。但其也有弱點,如果在藍寶石襯底直接高溫生長GaN,將會導致大量的缺陷,這是因為在GaN外延層和藍寶石襯底之間存在著較大的晶格失配及熱應力失配所致。在工業界,研究人員通常通過生長數十納米的低溫GaN或高溫AlN緩沖層,以確保后續高溫GaN的外延晶體質量。另外,研究人員還研發了一種沿著側向發展且合并的生長技術即圖形化襯底技術,因其沒有掩膜和不存在生長的間斷,能得以有效地降低GaN外延層中的位錯密度,在一定程度上也較大地提高了LED發光的萃取效率。
與藍寶石襯底相比,硅襯底也具有多種優點,比如成本低、尺寸大、高質量及優異的導電和導熱性能等。使用硅片作為GaN外延層生長的襯底,光電集成也是具有相當魅力且應用潛力廣闊;但在生長技術層面上,Si襯底上生長GaN的難度要比藍寶石襯底更具有挑戰性,因為Si襯底與GaN的晶格失配和熱失配更大,在生長過程中特別是外延片從高溫冷卻至室溫條件下,外延表面更易出現裂紋,進而會導致高密度的位錯。
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