襯底材料是
半導體照明產(chǎn)業(yè)技術發(fā)展的基石。不同的襯底材料，需要不同的外延生長技術、
芯片加工技術和器件封裝技術，襯底材料決定了半導體照明技術的發(fā)展路線。襯底材料的選擇主要取決于以下九個方面：
4XpW#> gw' u Y$ [1]結構特性好，外延材料與襯底的晶體結構相同或相近、晶格常數(shù)失配度小、結晶性能好、缺陷密度��；
l/0"'o_0v# [2]界面特性好，有利于外延材料成核且黏附性強；
2 Z K:S+c [3]化學穩(wěn)定性好，在外延生長的溫度和氣氛中不容易分解和腐蝕；
@yiAi:v@ [4]熱學性能好，包括導熱性好和熱失配度�。�
kx&Xk0F_g [5]導電性好，能制成上下結構；
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光學性能好，制作的器件所發(fā)出的光被襯底吸收小；
JAJo^}}{b [7]機械性能好，器件容易加工，包括減薄、拋光和切割等；
C^9G \s' [8]價格低廉；
>a/ ]8A [9]大尺寸，一般要求直徑不小于2英吋。
q-gp;Fm dz@L}b* 襯底的選擇要同時滿足以上九個方面是非常困難的。所以，目前只能通過外延生長技術的變更和器件加工工藝的調(diào)整來適應不同襯底上的半導體發(fā)光器件的研發(fā)和生產(chǎn)。用于氮化鎵研究的襯底材料比較多，但是能用于生產(chǎn)的襯底目前只有二種，即藍寶石Al2O3和碳化硅SiC襯底。表2-4對五種用于氮化鎵生長的襯底材料性能的優(yōu)劣進行了定性比較。
HwfB bWHr' x}v]JEIf[Q 表2-4：用于氮化鎵生長的襯底材料性能優(yōu)劣比較
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vX~ ?.Mw %+Hhe]J ld 1）氮化鎵襯底
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yl,S5A 4)MKYhm 用于氮化鎵生長的最理想的襯底自然是氮化鎵單晶材料，這樣可以大大提高外延膜的晶體質(zhì)量，降低位錯密度，提高器件工作壽命，提高發(fā)光效率，提高器件工作電流密度�？墒�，制備氮化鎵體單晶材料非常困難，到目前為止尚未有行之有效的辦法。有研究人員通過HVPE方法在其他襯底(如Al2O3、SiC、LGO)上生長氮化鎵厚膜，然后通過剝離技術實現(xiàn)襯底和氮化鎵厚膜的分離，分離后的氮化鎵厚膜可作為外延用的襯底。這樣獲得的氮化鎵厚膜優(yōu)點非常明顯，即以它為襯底外延的氮化鎵
薄膜的位錯密度，比在Al2O3、SiC上外延的氮化鎵薄膜的位錯密度要明顯低；但價格昂貴。因而氮化鎵厚膜作為半導體照明的襯底之用受到限制。
#-vuY#gs v" wxHro 氮化鎵襯底生產(chǎn)技術和設備：
mp]}-bR) .m%/JquMFM 缺乏氮化鎵襯底是阻礙氮化物研究的主要困難之一，也是造成氮化鎵發(fā)光器件進展目前再次停頓的根本原因！雖然有人從高壓熔體中得到了單晶氮化鎵體材料，但尺寸很小，無法使用，目前主要是在藍寶石、硅、碳化硅襯底上生長。雖然在藍寶石襯底上可以生產(chǎn)出中低檔氮化鎵發(fā)光二極管產(chǎn)品，但高檔產(chǎn)品只能在氮化鎵襯底上生產(chǎn)。目前只有日本幾家公司能夠提供氮化鎵襯底，價格奇貴，一片2英寸襯底價格約1萬美元，這些襯底全部由HVPE（氫化物氣相外延）生產(chǎn)。
(Z(O7X(/ r:pS[f|4\ HVPE是二十世紀六七十年代的技術，由于它生長速率很快（一分鐘一微米以上），不能生長量子阱、超晶格等結構材料，在八十年代被MOCVD、MBE等技術淘汰。然而，恰是由于它生長速率快，可以生長氮化鎵襯底，這種技術又在“死灰復燃”并受到重視�？梢詳喽�，氮化鎵襯底肯定會繼續(xù)發(fā)展并形成產(chǎn)業(yè)化，HVPE技術必然會重新受到重視。與高壓提拉法相比，HVPE方法更有望生產(chǎn)出可實用化的氮化鎵襯底。不過國際上目前還沒有商品化的設備出售。
XG_h\NIL L&h@`NPO a 目前國內(nèi)外研究氮化鎵襯底是用MOCVD和HVPE兩臺設備分開進行的。即先用MOCVD生長0.1～1微米的結晶層，再用HVPE生長約300微米的氮化鎵襯底層，最后將原襯底剝離、拋光等。由于生長一個襯底需要在兩個生長室中分兩次生長，需要降溫、生長停頓、取出等過程，這樣不可避免地會出現(xiàn)以下問題：①樣品表面粘污；②生長停頓、降溫造成表面再構，影響下次生長。
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Sbi\ 今后研發(fā)的重點仍是尋找合適的生長方法，大幅度降低其成本。
yQ$Q{,S9 uP|Py.+ 2） Al2O3襯底
#._%~ }U Nl"Xl? y} 目前用于氮化鎵生長的最普遍的襯底是Al2O3，其優(yōu)點是化學穩(wěn)定性好、不吸收可見光、價格適中、制造技術相對成熟；不足方面雖然很多，但均一一被克服，如很大的晶格失配被過渡層生長技術所克服，導電性能差通過同側(cè)P、N電極所克服，機械性能差不易切割通過
激光劃片所克服，很大的熱失配對外延層形成壓應力因而不會龜裂。但是，差的導熱性在器件小電流工作下沒有暴露出明顯不足，卻在功率型器件大電流工作下問題十分突出。
qyi5j0)W ;k1 \- 國內(nèi)外Al2O3襯底今后的研發(fā)任務是生長大直徑的Al2O3單晶，向4-6英吋方向發(fā)展，以及降低雜質(zhì)污染和提高表面拋光質(zhì)量。
MzUNk`T @ \"r84@< 3）SiC襯底
)}ygzKEa t!}QG"ma 除了Al2O3襯底外，目前用于氮化鎵生長襯底就是SiC，它在市場上的占有率位居第二，目前還未有第三種襯底用于氮化鎵
LED的商業(yè)化生產(chǎn)。它有許多突出的優(yōu)點，如化學穩(wěn)定性好、導電性能好、導熱性能好、不吸收可見光等，但不足方面也很突出，如價格太高、晶體質(zhì)量難以達到Al2O3和Si那么好、機械加工性能比較差。 另外，SiC襯底吸收380 nm以下的紫外光，不適合用來研發(fā)380 nm以下的紫外LED。由于SiC襯底優(yōu)異的的導電性能和導熱性能，不需要象Al2O3襯底上功率型氮化鎵LED器件采用倒裝焊技術解決散熱問題，而是采用上下電極結構，可以比較好的解決功率型氮化鎵LED器件的散熱問題，故在發(fā)展中的半導體照明技術領域占有重要地位。
NQB a+N t~_j+k0K# 目前國際上能提供商用的高質(zhì)量的SiC襯底的廠家只有美國CREE公司。國內(nèi)外SiC襯底今后研發(fā)的任務是大幅度降低制造成本和提高晶體結晶質(zhì)量。
EFp V %#5\^4$z|N 4）Si襯底
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k2<BU4b Kf=6l#J7 在硅襯底上制備發(fā)光二極管是本領域里夢寐以求的一件事情，因為一旦技術獲得突破，外延生長成本和器件加工成本將大幅度下降。Si片作為GaN材料的襯底有許多優(yōu)點，如晶體質(zhì)量高，尺寸大，成本低，易加工，良好的導電性、導熱性和熱穩(wěn)定性等。然而，由于GaN外延層與Si襯底之間存在巨大的晶格失配和熱失配，以及在GaN的生長過程中容易形成非晶氮化硅，所以在Si 襯底上很難得到無龜裂及器件級質(zhì)量的GaN材料。另外，由于硅襯底對光的吸收嚴重，LED出光效率低。
Y:o\qr!Y 目前國外文獻報導的硅襯底上藍光LED光功率最好水平是420mW，是德國Magdeburg大學研制的。日本Nagoya技術研究所今年在上海國際半導體照明論壇上報道的硅襯底上藍光LED光輸出功率為18 mW。
a ^:on?:9 B$ty`/{w,B |5J'`1W 5）ZnO襯底
( X(61[Lu \tv^],^` 之所以ZnO作為GaN外延的候選襯底，是因為他們兩者具有非常驚人的相似之處。兩者晶體結構相同、晶格失配度非常小，禁帶寬度接近（能帶不連續(xù)值小，接觸勢壘�。５�，ZnO作為GaN外延襯底的致命的弱點是在GaN外延生長的溫度和氣氛中容易分解和被腐蝕。目前，ZnO半導體材料尚不能用來制造光
電子器件或高溫電子器件，主要是材料質(zhì)量達不到器件水平和P型摻雜問題沒有真正解決，適合ZnO基半導體材料生長的設備尚未研制成功。今后研發(fā)的重點是尋找合適的生長方法。
