以GaN為代表的第三代半導體材料是近十幾年來國際上倍受重視的新型半導體材料，在白光LED、短波長激光器、紫外探測器以及高溫大功率器件中具有廣泛的應用前景。然而，由于GaN特殊的穩(wěn)定性(熔點2791K，融解壓4.5GPa)，自然界缺乏天然的GaN體單晶材料，當前的主要工作都是在藍寶石、SiC、Si等襯底上異質(zhì)外延進行的。由于GaN與襯底間的晶格失配和熱失配，導致異質(zhì)外延GaN薄膜中具有高的位錯密度，位錯會形成非輻射復合中心和光散射中心，大大降低光電子器件的發(fā)光效率。另外，異質(zhì)外延也給器件帶來了一些別的問題，如解理困難、散熱性差等。因而開發(fā)適合規(guī)模制造的GaN襯底材料工藝對發(fā)展GaN半導體器件產(chǎn)業(yè)至關(guān)重要。

　　毫無疑問，單晶GaN襯底是滿足GaN在激光二極管、白光LED、大功率晶體管等性能進一步提高的關(guān)鍵。世界許多大公司和研究機構(gòu)在GaN襯底技術(shù)方面投入巨大的人力和物力進行研究，多家單位已經(jīng)宣稱獲得了GaN基板。在商用GaN襯底的供應方面，目前有日本的住友電氣(Sumitomo Electric)、日立電纜(Hitachi Cable)、三菱化學(Mitsubishi)、古河金屬機械(Furukawa)、美國的Cree、Kyma、TDI、波蘭的TopGaN以及法國的Lumilog等公司可提供，但生產(chǎn)規(guī)模都很小，價格也高達幾千美元/片，目前主要用于激光二極管的生產(chǎn)，其價格只有接近藍寶石襯底價格，才有機會大規(guī)模用于發(fā)光二極管之生產(chǎn)制造.

　　在GaN襯底生長技術(shù)中，氫化物氣相外延(HVPE)以其高生長速率(可以達到800μm/h以上)、低成本、可大面積生長和均勻性好等優(yōu)點，成為GaN襯底獲得突破的首選，目前絕大多數(shù)研究工作都集中于此。HVPE生長GaN襯底，通常是在藍寶石或砷化鎵等襯底上外延0.5~1mm的厚膜，然后再以激光剝離、研磨或蝕刻等方式將襯底移除，最后將獲得的GaN拋光形成所謂的自支撐GaN襯底。然而，由于存在異質(zhì)外延過程，GaN外延厚膜與所用襯底間的晶格失配和熱失配，造成了外延膜碎裂、翹曲等，這些問題導致了成品率低下，是目前GaN襯底價格昂貴的主要原因。一般的外延GaN厚膜的位錯密度在106~107cm-2量級，當前，德國Aixtron公司采用垂直HVPE法進行GaN梨晶生長，獲得了直徑2英寸，高7cm的梨晶體，缺陷坑密度為5×105cm-2，而且越向根部晶體質(zhì)量越好，最低可達到104cm-2。更厚的梨形晶體不僅可產(chǎn)出更多的晶片，還能進一步減少材料的缺陷密度，因此利用梨晶切片是未來制備高質(zhì)量GaN襯底的首選之一。

　　近兩年來，氨熱法(ammonothermal method)在制備大尺寸GaN體單晶研究方面取得了突破性進展，打破了晶體尺寸限制，大有在未來幾年內(nèi)取代HVPE技術(shù)之勢。美國UCSB在過飽和的氨氣環(huán)境中成功獲得了厘米量級的大塊GaN晶體，位錯密度小于1×106cm-2，日本大阪大學首次使用氨熱法制備出2英寸GaN襯底，他們添加碳在反應爐中，有效降低了多晶的形成，該2英寸4mm厚GaN位錯密度為2.3×105cm-2。最近，波蘭Ammono公司也報道了利用氨熱法生長的2英寸GaN晶體(圖1)，位錯密度低于5×104cm-2，(0002)雙晶結(jié)果僅為15arcsec，是目前最好的結(jié)果之一。除了上述這兩種方法，還有高壓生長法(HNPSG)、鈉融法(Na Flux)等，但這兩種技術(shù)對設(shè)備和工藝都有苛刻要求，更主要的是目前難以實現(xiàn)大尺寸單晶，無法滿足商業(yè)化的要求，目前只有少數(shù)幾個研究小組還在研究。表1簡單給出了各種技術(shù)制備GaN單晶的工藝參數(shù)和材料指標性能。

　　表1 各種GaN單晶生長技術(shù)特點與材料性能

　　圖一 氨熱法獲得的大尺寸GaN晶體照片

　　除了位錯密度外，極化效應是困擾發(fā)光二極管、激光二極管等光電子器件的另一個主要問題。當GaN基材料在傳統(tǒng)c面襯底上外延時，由于Ga原子和N原子電負性的差異，形成電偶極子，產(chǎn)生了自發(fā)極化。另外，晶格失配和熱失配而導致的應變引起了壓電極化，壓電極化對量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)的影響更顯著。極化效應提高了二維電子氣的電子濃度，極大的改善了HEMT等微電子器件的性能，不幸的是，對于LED、LD等光電器件，極化效應則造成了明顯的負面影響，它所產(chǎn)生的內(nèi)建電場引起量子阱中電子和空穴基態(tài)波函數(shù)分離，導致量子限制斯塔克效應，從而出現(xiàn)輻射復合效率下降、峰值紅移等現(xiàn)象，大大限制了GaN基光電器件的大功率化，這在高In含量的綠光和高Al含量的紫外光發(fā)射中尤其嚴重。

　　因而，獲得高質(zhì)量非極性GaN襯底成為了最終解決問題的關(guān)鍵所在，既有效降低了缺陷密度，又去除了極化電場的影響，有可能徹底解決光電器件應用中的難題。此外，非極性GaN基發(fā)光器件也比當前的c面發(fā)光器件具有其他特性，如寬范圍顏色發(fā)光、偏振光發(fā)射、功耗較低等，其直接發(fā)射偏振光的特點可以用作液晶顯示屏的背光源，能有效降低偏振濾光片的損耗。因而，非極性GaN襯底的制備成為了一個新的研究熱點。近年來，在“藍光之父”Nakamura(中村修二)的帶領(lǐng)下，美國UCSB率先開展了非極性GaN的研究，與日本三菱化學合作，在藍紫光LD、黃綠光LED等領(lǐng)域取得了一系列突破，隨后，美國南卡羅來納大學、日本羅姆公司、日本日亞公司和美國Cree公司等著名研究機構(gòu)也加入進來。截至到目前，非極性和半極性GaN襯底上獲得的綠光、黃光LED的水平已經(jīng)超過c面LED當前的水平，見圖2所示。

　　圖2 不同波段LED外量子效率的變化

　　不過非極性GaN襯底的制備難度更大，通常具有高的位錯密度和層錯密度，嚴重制約了器件水平的提高。目前主要是用HVPE和氨熱法生長的厚c面GaN襯底切割而獲得，尺寸受到了限制，梨晶和氨熱法成為了獲得大尺寸非極性GaN襯底的希望所在。

　　GaN襯底當前最大的應用屬于激光器，以日本日亞、索尼和韓國三星為首的一些大公司借著Blue Ray在高密度DVD存儲中的壟斷地位，正在大力推進藍光DVD的商業(yè)化，其中Blue Ray所使用的藍光LD主要使用GaN襯底。這些產(chǎn)品已作為關(guān)鍵部件應用于下一代DVD播放系統(tǒng)中，比如藍光光盤和HD-DVD。此外，這些激光器也非常適合用于投影顯示、高精度印刷和光學傳感等領(lǐng)域。然而，在GaN基LED照明領(lǐng)域，因為成本問題，鮮有采用GaN襯底的LED產(chǎn)品報道，目前日本的松下電器成為首家推出采用GaN襯底生產(chǎn)高功率LED的公司。不過，相對于Cree、Nichia等大公司在碳化硅、藍寶石襯底上成熟的LED器件水平，前者發(fā)光效率達到了208lm/W，后者也超過了145lm/W，GaN襯底上白光LED效率要明顯偏低，還有很大的上升空間。可以預見，隨著GaN襯底技術(shù)的逐步成熟，未來五年內(nèi)，低成本、高質(zhì)量GaN襯底有望大規(guī)模應用于半導體微電子器件和光電子器件等領(lǐng)域。