Al2O3-GaN外延片結構：

?超晶格(異質結)就是將兩種晶格常數(shù)不同的材料交替生長而成的多層薄膜結構，超晶格材料是兩種不同組元以幾個納米到幾十個納米的薄層交替生長并保持嚴格周期性的多層膜，事實上就是特定形式的層狀精細復合材料。

?由于GaN與襯底晶格失配為15．4％，因此要生長平坦而沒有裂紋的高質量GaN外延層非常困難。Amano提出利用低溫生長AlN或GaN作為緩沖再與高溫(1000℃)生長GaN的二段生長法得到表面平坦如鏡，低剩余載流子濃度，高電子遷移率的高質量GaN外延層。

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外延片制造的基本流程：

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襯底的制備：

(a)、結構特性好，晶圓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、缺陷密度小。

(b)、接口特性好，有利于晶圓料成核且黏附性強。

(c)、化學穩(wěn)定性好，在晶圓生長的溫度和氣氛中不容易分解和腐蝕。

(d)、熱學性能好，包括導熱性好和熱失配度小。

(e)、導電性好，能制成上下結構。

(f)、光學性能好，制作的器件所發(fā)出的光被襯底吸收小。

(g)、機械性能好，器件容易加工，包括減薄、拋光和切割等。

(h)、大尺寸，一般要求直徑不小于2英吋。

(i)、價格低廉。

襯底材料的選用：Al2O3襯底

目前用于氮化鎵生長的最普遍的襯底是Al2O3

優(yōu)點：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；機械強度高，易于處理和清洗

缺點：(1)晶格失配和熱應力失配

(2)絕緣體常溫下的電阻率大于1011Ω·cm，無法制作垂直結構的器件；

(3)在上表面制作兩個電極，造成了有效發(fā)光面積減少，增加制造中的光刻和刻蝕工藝過程，材料利用率降低、金屬透明電極一般要吸收約30%~40%的光.

(4)導熱性能不是很好（在100℃約為25W/（m·K））

(5)不容易對其進行刻蝕，刻蝕過程中需要較好的設備，增加生產成本。

SiC襯底（碳化硅襯底）：化學穩(wěn)定性好、導電性能好、導熱性能好、不吸收可見光、價格太高、晶體質量難以達到Al2O3和Si那么好、機械加工性能比較差。芯片電極為L型，兩個電極分布在器件的表面和底部，所產生的熱量可以通過電極直接導出；目前用于氮化鎵生長襯底就是SiC，

Si片作為GaN材料的襯底有許多優(yōu)點，如晶體質量高，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。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，

采用兩種接觸方式，分別是L接觸（Laterial-contact,水平接觸）和V接觸（Vertical-contact，垂直接觸）熱的良導體，所以器件的導熱性能可以明顯改善，從而延長了器件的壽命。硅襯底對光的吸收嚴重，LED出光效率低。但是能用于生產的襯底目前只有二種，即藍寶石Al2O3和碳化硅SiC襯底。

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單晶生長（直拉法）：

所需原料：籽晶，高純氧化鋁粉；

設備：單晶爐

流程：坩堝熱處理——裝爐——抽真空——熔料——恒溫——充氣——

引晶——放肩——等徑——收尾——降溫——出爐

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高純氧化鋁粉料壓制成直徑略小于坩堝內徑的圓柱狀料塊，在1273度以上燒結；碎晶料應利用超聲波仔細清洗，置于坩堝內。整個系統(tǒng)密封后抽真空至10-3Pa，升溫至熔點溫度。

2323度以上進行化料，保溫2-5小時，以確保原料完全熔化，熔體內的氣泡完全驅除。溫場穩(wěn)定后，下降籽晶使其末端與液面接觸，通過一定的工藝措施控制晶體生長的引晶、放肩、等徑、收尾和退火及冷卻過程，實現(xiàn)晶體生長。待晶體直徑長到所需尺寸，通過一定的工藝控制晶體開始等徑生長，晶體進入等徑生長階段后，主要是通過降低加熱溫度（加熱系統(tǒng)所能提供的坩堝外壁溫度）促使晶體生長。

純的氧化鋁單晶體就是通常所說的藍寶石。其實它并不是藍顏色的寶石，它是無色透明的，所以也有叫白寶石的。真正的藍寶石是摻鈦的。

坩堝底部正中央放著一塊藍寶石籽晶，坩堝和熱交換器都放在真空石墨加熱爐中。當原料熔化后，通過緩慢降低爐溫和控制氦氣的流量，就能在籽晶上長成大塊的藍寶石單晶體。使用這種方法可以得到質量很好的直徑達30厘米，厚度為12厘米的藍寶石單晶體。

用來制作工業(yè)用的晶體的技術之一，是從熔液中生長。籽晶可用來促進單晶體的形成。在這個工序里，籽晶降落到裝有熔融物質的容器中。籽晶周圍的熔液冷卻，它的分子就依附在籽晶上。這些新的晶體分子承接籽晶的取向，形成了一個大的單晶體。

籽晶是具有和所需晶體相同晶向的小晶體，200毫米晶圓晶體重約204kg，三天時間生長。

MOCVD外延片生長：

MOCVD：金屬有機物化學氣相淀積(Metal-OrganicChemicalVaporDeposition，簡稱MOCVD)

MOCVD生長技術：

利用氣相反應物間之化學反應在一塊加熱至適當溫度的襯底基片（主要有藍寶石和SiC兩種）上，將所需氣態(tài)物質In、Ga、Al、P有控制的輸送到產物沉積的基材襯底表面，從而形成不同材料的單晶薄膜型結構。化學反應機構有反應氣體在基材襯底表面膜的擴散傳輸、反應氣體與基材襯底的吸附、表面擴散、化學反應、固態(tài)生成物之成核與成長、氣態(tài)生成物的脫附過程等，其中速率最慢者即為反應速率控制步驟，亦是決定沉積膜組織型態(tài)與各種性質的關鍵所在。是III-V族，II-VI族化合物及合金的薄層單晶的主要方法

MO源：三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMAl)、三甲基銦(TMIn)、二茂鎂(Cp2Mg)；Carrier：H2、N2；反應氣體：NH3

生長流程：

送入原料→緩沖層生長→N型GaN層生長→量子阱生長→P型GaN層生長→退火

?MO源在低壓高溫下為氣態(tài)。用高純H2作為MO源的攜帶氣體。

?先在藍寶石襯底上淀積30nm低溫GaN/AlN緩沖層，生長溫度為550℃。

?然后升溫到1080℃生長1um的本征GaN和3um的N-GaN；

?GaN材料的生長是在高溫下，通過TMGa分解出的Ga與NH3的化學反應實現(xiàn)的，其可逆的反應方程式為：Ga＋NH3=GaN＋3/2H2

?降溫至750℃生長50nm的InGaN；

?升溫至1030℃生長0.15um的P-GaN，并在750℃的N2中退火

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