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论文摘要：在硅衬底上处延GaN，提供了一种新的技术平台，能够加速氮化镓在光电子和微电子方面的应用进一步扩大。本文介绍在硅衬底上GaN基发光二极管研制方面的进展。

Ⅲ族氮化物半导体材料广泛用于紫、蓝、绿和白光发光二极管，高密度光学存储用的紫光激光器，紫外光探测器，以及高功率高频电子器件。然而由于缺乏合适的衬底，目前高质量的GaN膜通常都生长在蓝宝石或SiC衬底上，但是这两种衬底部都比较昂贵，尤其是碳化硅，而且尺寸都比较小。

蓝宝石还有硬度极高和不导电的缺点。为克服上述缺点，人们在用硅作衬底生长GaN方面一直不断地进行探索。

由于GaN材料的电荧光对晶体缺陷并不敏感，因此人们预期在Si衬底上异质外延生长Ⅲ族氮化物发光器件在降低成本方面具有明显的技术优势。 人们还期待使用Si衬底今后还有可能将光发射器与硅电子学集成起来，将加速和扩大氮化镓在光电子和微电子方面的应用。

一、用硅作GaN LED衬底的优缺点用硅作GaN发光二极管（LED）衬底的优点主要在于LED的制造成本将大大降低。这是不仅因为Si衬底本身的价格比目前使用的蓝宝石和SiC衬底便宜很多，而且可以使用比蓝宝石和SiC衬底的尺寸更大的衬底（例如使用4英寸的Si片衬底）以提高MOCVD的利用率，从而提高管芯产率。

Si和SiC衬底一样，也是导电衬底，电极可以从管芯的两侧引出，而不必象不导电的蓝宝石那样必须都从一侧引出，这样不但可以减少管芯面积还可以省去对GaN外延层的干法腐蚀步骤。同时由于硅的硬度比蓝宝石和SiC低，因此使用LSI加工中使用的通用切割设备就可以切出LED芯片，节省了管芯生产成本。

此外，由于目前CaAs工业正从4英寸过渡到6英寸，淘汰下来的4英寸工艺线，正好可以用在硅衬底的GaNLED生产上。据日本Sanken电气公司的估计使用硅衬底制作蓝光GaNLED的制造成本将比蓝宝石衬底和SiC衬底低90%，预期在需要低功率发射器方面将获得应用。

然而与蓝宝石和SiC相比，在Si衬底上生长GaN更为困难。因为这两者之间的热失配和晶格失配更大。

硅与GaN的热膨胀系数差别将导致GaN膜出现龟裂，晶格常数差会在GaN外延层中造成高的位错密度。GaNLED还可以因为Si与GaN之间有0.5V的异质势垒而使开启电压升高以及晶体完整性差造成P-型掺杂效率低，导致串联电阻增大。

使用Si衬底的另一不利之处是，硅吸收可见光会降低LED的外量子效率。尽管如此自1998年以来在硅上氮化镓LED方面已经取得了不少令人兴奋的结果。

二、缓冲层技术 为了在Si上制造出性能好的GaNLED，首先要解决的是如何在Si上生长出高质量的无龟裂的GaN外延层。现在主要的生长方法是MOCVD或MBE。

无论采用那种生长方法在Si上生长GaN外延层，均需要使用缓冲层技术。已经报道了多种缓冲层技术。

其中包括：AIN，3C-SiC（淀积的或转化的SiC膜），GaAs，AlAs，ZnO，LiGaO2，g-Al2O3和Si3N4，或复合缓冲层；如AlN/3C-SiC，AlN/GaN/AlN等等。AlN缓冲层是目前较为普遍使用的缓冲层技术之一。

Liaw等人报道了采用转化的SiC膜加氮化铝复合缓冲层（AlN/3C-SiC）技术已经可以在4英寸的Si(1

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1)衬底上生长出1.5mm厚的无龟裂的GaN的外延层。 日本三垦（Sanken）电气公司与名古屋工业大学联合开发出用AlN/GaN缓冲层缓解因热膨胀系数不同而产生的热应力，进而控制了龟裂的发生。

值得指出的是三垦电气在生长缓冲层前，首先对硅衬底进行处理，使硅表面上覆以氢（H），这样就得到了