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硅衬底上GaN基LED的研制进展

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来源: 作者: 2018-10-29 09:56:55

硅衬底上GaN基LED的研制进展

导读:

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。

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。

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