1 引言

GaN作為新型的寬禁帶半導體材料，一直是國際上化合物半導體方面研究的熱點。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），對應的波長覆蓋了紅光到近紫外光的范圍，而且具有化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好等優(yōu)越的特性，因此在光電子領域具有極大的應用前景。其次，GaN材料與Si和GaAs等其他材料相比，在高電場強度下，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用價值。近十年來，以GaN為代表的寬禁帶半導體材料與器件發(fā)展迅猛，對信息科學技術的發(fā)展和應用起了巨大的推動作用，被稱為繼以Si為代表的第一代半導體、以GaAs為代表的第二代半導體后的第三代半導體。

從1971年Pankove[1]報道的第一個GaN發(fā)光二極管到Nakamura[2]研制出的GaN基藍光激光器僅僅只有二十幾年的時間。近年來，有關GaN基材料和器件的研究及發(fā)展更是大大加速了。由于GaN大尺寸體單晶生長極為困難，現(xiàn)在所有成熟的器件都是以藍寶石或SiC異質(zhì)襯底為基礎的。但從晶格匹配和電導、熱導特性上看，藍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寶石襯底，但其加工困難以及昂貴的價格也限制了該襯底的進一步應用開發(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材料生長的要求，如低成本、大尺寸、高質(zhì)量、導電性等優(yōu)點，且Si襯底GaN基材料及器件的研制將進一步促進GaN基器件與傳統(tǒng)Si基器件工藝的集成，被認為是最有前途的GaN襯底材料。但是由于過去人們把相當?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，隨著許多技術和觀念上的突破，Si襯底GaN基材料生長越來越成為人們關注的焦點。我國南昌大學就首先突破了硅基GaN LED外延片和新基板焊接剝離技術，利用LP-MOCVD系統(tǒng)在Si(111)襯底上成功生長出了高質(zhì)量的InGaN MQW藍光led外延片，X射線雙晶對稱和非對稱搖擺曲線的半高寬已經(jīng)達到了市場上藍寶石襯底GaN LED水平。

2 外延生長技術

實現(xiàn)GaN基材料生長的外延技術主要有金屬有機物化學汽相淀積（MOCVD）[3，4]、分子束外延（MBE）[5]、氫化物汽相外延（HVPE）[6] 等。

2.1 MOCVD

MOCVD是一種非平衡生長技術，它依賴于源氣體傳輸過程和隨后的Ⅲ族烷基化合物與Ⅴ族氫化物的熱裂解反應。組分和生長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的一個重要的特征是反應管壁的溫度大大低于內(nèi)部加熱的襯底溫度，使熱管壁反應消耗降低。MOCVD方法的生長速率適中，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、生長材料和器件質(zhì)量最高的方法。美國的EMCORE、德國的AIXTRON公司以及英國的Thomas Swan公司都已經(jīng)開發(fā)出用于工業(yè)化生產(chǎn)的Ⅲ族氮化物MOCVD(LP-MOCVD)設備。

2.2 MBE

MBE是直接以Ga的分子束作為Ga源，以NH 3為N源，在襯底表面反應生成GaN。該方法可以在較低的溫度下實現(xiàn)GaN的生長，有可能減少N的揮發(fā)，從而降低背景電子濃度。其生長反應過程簡單，可以實時表征或精確監(jiān)控生長表面的結構、成分和膜厚，生長溫度低，均勻性較好。由于這種方法的生長速率較慢，可以精確地控制膜厚，特別適合于量子阱、超晶格等超薄層結構的材料生長，但對于外延層較厚的器件，如LEDs和LDs，生長時間較長，不能滿足大規(guī)模生產(chǎn)的要求，而且當采用等離子體輔助方式時，要采取措施避免高能離子對于薄膜的損傷。

2.3 HVPE

人們最早就是采用這種生長技術制備出了GaN 單晶薄膜。氫化物汽相外延技術是一種化學汽相輸運技術，與傳統(tǒng)的物理汽相輸運技術相比，它可以提供很高的生長率（每小時100μm以上），在短時間內(nèi)生長很厚的GaN膜，從而減少熱失配和晶格失配對材料性能的影響，可采用剝離技術，將獲得的低位錯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行同質(zhì)外延生長的襯底。HVPE的缺點是很難精確控制膜厚，反應氣體對設備具有腐蝕性，影響GaN材料純度的提高。

3 生長難點及解決方案

3.1 主要難點

首先，Si襯底上外延GaN，其晶格失配為17%, 在生長過程中的晶格失配將引入大量位錯。其次，Si襯底和GaN之間較大的熱膨脹系數(shù)差異導致較大的熱失配。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，造成高溫生長后降溫的過程中外延層將承受很大的張應力，由于外延層的厚度遠小于襯底厚度，所以外延層會產(chǎn)生裂紋。

另一個是極性問題，由于Si原子間形成的健是純共價鍵屬非極性半導體，而GaN原子間是極性鍵屬極性半導體。對于極性/非極性異質(zhì)結界面有許多物理性質(zhì)不同于傳統(tǒng)異質(zhì)結器件，所以界面原子、電子結構、晶格失配、界面電荷和偶極矩、帶階、輸運特性等都會有很大的不同，這也是研究Si襯底GaN基材料和器件所必須認識到的問題。

最后，Si襯底上Si原子的擴散也是一個重要問題，在高溫生長過程中Si原子的擴散加劇，導致外延層中會含有一定量的Si原子，這些Si原子易于與生長氣氛中的氨氣發(fā)生反應，而在襯底表面形成非晶態(tài)Si xNy薄膜，降低外延層的晶體質(zhì)量。另外，Ga原子也可以擴散到Si襯底表面發(fā)生很強的化學反應，將對襯底產(chǎn)生回熔而破壞界面，降低外延層的晶體質(zhì)量。

3.2 解決問題的手段

3.2.1 緩沖層的選取

緩沖層技術的引入是解決Si襯底上生長GaN時晶格失配、Si擴散和極性問題的有效手段，同時在一定程度上也可緩解薄膜中的應力。ZnO [7]，3C-SiC[8，9]，AlN[3，10] 和AlAs[11]等都曾被用作GaN外延層與Si襯底之間的緩沖層進行嘗試，其中AlN結果最好，這是由于AlN 緩沖層在Si襯底上具有較好的浸潤性，可有效減少界面能，使GaN一開始就進入二維生長模式，部分緩解了Si基GaN生長的困難，此外AlN還可以和GaN在同一反應室進行生長，且Al－N鍵形成優(yōu)于Si－N鍵，在一定程度上抑制SiN x的形成。目前各研究小組通過優(yōu)化AlN 緩沖層的生長條件如生長溫度、厚度、Ⅴ/Ⅲ比、反應室壓強等，得到了高質(zhì)量GaN外延膜 [3，12]。但由于緩沖層技術條件下生長出的GaN材料仍具有較高的缺陷密度，會影響到發(fā)光器件的發(fā)光強度、工作壽命和反向特性等重要技術指標，因此人們又在該基礎上發(fā)展了多緩沖層技術，從而獲得更高質(zhì)量的GaN單晶材料。

3.2.2 微裂問題的解決

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裂紋的GaN外延層的厚度比較有限（1 mm左右），微裂問題已經(jīng)成為影響Si 襯底GaN 外延生長的最主要的障礙，各國相繼開展解決微裂問題的研究。

Min-Ho Kimn 等人[13]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，使其有個漸進的過渡，這樣可在生長過程中利用AlN與GaN晶格常數(shù)的差別形成壓應力，部分彌補降溫過程中形成的張應力，從而有效降低外延層中的位錯和裂紋密度。M. Seon等人[14] 提出超晶格緩沖層的方法，即直接在Si襯底上生長超晶格緩沖層，然后生長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力，又可以阻止來自襯底的Si擴散。但存在的問題是，直接在Si襯底上生長超晶格層比較困難，這樣超晶格緩沖層的作用也就弱化了。Eric FELtin等人[15]在GaN外延層與AlN緩沖層之間采用10個周期的AlN/GaN超晶格作插入層，生長出了較厚且沒有裂紋的GaN晶體（0.9～2.5 mm）。采用超晶格結構除了產(chǎn)生額外的壓應力外，還可很好地過濾位錯，特別是穿透位錯，明顯提高外延層的晶體質(zhì)量。Y.Honda等人 [16]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的選擇性，把GaN外延層限制在沒有隱蔽膜的區(qū)域中生長，形成分立的窗口，從而釋放整個外延層中的張應力，得到XRD雙晶測量（0004）半高寬為388arcs的高質(zhì)量外延膜。Dadgar等人 [10]將低溫AlN插入層技術用于Si基GaN的生長，這種方法可以有效控制GaN外延層的應力，并且降低位錯密度。應力補償效應的研究表明,由于AlN插入層很薄，低溫沉積的無定型性質(zhì)會在高溫生長GaN外延層時成為結晶體,此馳豫過程中所引入的壓應力可有效補償來自熱失配所引起的張應力。德國A.Krost組采用低溫AlN插入層方法實現(xiàn)了3 mm無微裂GaN層的MOCVD生長，XRD的半高寬為400 arcs。最近他們又得到7mm無微裂GaN層，幾乎滿足了所有器件應用的需要 [17]。

目前，采用低溫AlN插入層被認為是解決Si襯底GaN基材料微裂的最簡單有效的方法。在實際的生長過程中，也可以將幾種方法綜合在一起使用。

4 Si襯底GaN基器件的進展

隨著Si襯底GaN材料生長的逐漸發(fā)展，其各種器件的應用也開發(fā)出來，其中最重要的就是Si襯底GaN基LED。1998年IBM公司報道了第一次采用MBE生長的材料制作Si襯底紫外和紫色GaN發(fā)光二極管，波長分別為360nm和420nm。從300 mm×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。1999年EMCORE公司采用MOCVD 技術在Si襯底上選擇外延生長InGaN/GaN多量子阱LED結構，電熒光光譜波長為465nm，半高寬為40nm，閾值電壓為4V，20mA時工作電壓為8V。2000年，美國南卡大學M.Asif Khan等人報道了在Si襯底上選擇性外延生長InGaN/GaN多量子阱結構LED的新進展，LED結構峰值波長為465nm，半高寬為40nm，正向電阻比藍寶石襯底相同結構高4倍，而光輸出強度比藍寶石襯底的LED強5倍，盡管結果還不理想，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院采用常壓 MOCVD技術生長Si襯底LED，LED光熒光峰值波長為430nm，半高寬為18nm（2002 年報道實現(xiàn)光功率20mW輸出）,從LED結構的I-V 特性可看出，其閾值電壓為3V，已經(jīng)和藍寶石襯底LED結構相當了。最近，德國的A.Krost等人在研究高亮度InGaN/GaN多量子阱LED過程中取得重大突破， 2002年他們先后報道了采用低溫AlN插入層和SiNx 插入層的方法實現(xiàn)LED輸出功率152mW和400mW，開創(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)合實驗室首次實現(xiàn)了Si襯底InGaN/GaN多量子阱藍光激光器的光泵浦發(fā)光，該激光器波長為447nm，最高工作溫度可達420K。

Si 襯底GaN 基材料除了在發(fā)光器件方面取得進展外，在場效應管、探測器等方面，西班牙的E. Calleja和美國加洲大學圣巴巴拉分校等科研人員也取得很大進展。特別值得一提的是美國Nitronex公司最新在100mm Si襯底上實現(xiàn)高電子遷移率晶體管（HEMT），他們采用MOCVD外延技術生長低缺陷密度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基材料的生長技術及器件制造工藝已取得了商業(yè)應用的實質(zhì)進步和突破，但是Si襯底GaN基材料生長過程的物理機制尚不清楚，GaN中的很多缺陷有待于進一步研究。此外，歐姆接觸的接觸電阻還比較大，影響了器件的性能。相信寬禁帶半導體GaN基的系列光電子器件將在半導體工業(yè)中占據(jù)舉足輕重的地位。