31、低缺陷衬底上III族氮化物器件的带隙工程

低缺陷衬底上III族氮化物器件的带隙工程

1. 引言

自20世纪90年代初首次展示高亮度蓝色发光二极管（LED）以来，III族氮化物半导体迅速成为可见光/紫外线（UV）光电子学以及高温/高功率电子学的基础材料。过去十多年间，用于光学和电子器件的III族氮化物异质结构通常生长在商用蓝宝石和碳化硅（SiC）衬底上。

1.1 传统衬底的应用与问题

• 蓝宝石衬底 ：价格便宜，适合大规模生产平面低功率蓝/绿LED。然而，蓝宝石与III族氮化物材料在晶格常数和热膨胀系数（TEC）上存在较大失配，导致通过金属有机气相外延（MOVPE）和分子束外延（MBE）等技术生长的异质结构中，螺纹位错密度（TDD）极高，通常为~10⁹ - 10¹⁰ cm⁻²。此外，蓝宝石与III族氮化物半导体的折射率差异显著，会使LED发出的光产生波导效应，降低光提取效率。
• SiC衬底 ：价格相对昂贵，用于垂直低功率/高功率发光器和高功率场效应晶体管（FET），其极高的热导率对这些器件的有效热管理至关重要。但6H - SiC和4H - SiC与III族氮化物材料的晶体晶格排列不同，表面微观粗糙度会在界面处产生堆叠失配缺陷，尽管TDD比蓝宝石衬底上的低，但仍然较高。而且，SiC衬底主要对可见光透明，应用于近紫外和深紫外LED存在问题。
• 硅衬底 ：作为热导率和成本之间的折衷方案，最近被用于制造光学和电子器件。但GaN与硅的TEC差异较大，且在硅衬底上生长的异质结构中TDD仍然相当可观，阻碍了其应用。

1.2 衬底材料