半導(dǎo)體GaN的外延襯底基片

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硅和砷化鎵分別為傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料第一代、第二代的代表，它們的發(fā)展推動了微電子技術(shù)、光電子技術(shù)的發(fā)展，以此為基礎(chǔ)的信息技術(shù)帶來了人民生活翻天覆地的變化。但由于材料本身性能的限制，第一代、第二代半導(dǎo)體材料只能工作在200℃以下的環(huán)境中，而且抗輻射、耐高壓擊穿性能等都不能滿足現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展對高溫、大功率、高頻、高壓以及抗輻射、能發(fā)射藍光的新要求。在這種情況下，新型電子器件材料的選擇推出了第三代半導(dǎo)體，寬帶隙的GaN與SiC成為第三代半導(dǎo)體材料的代表。在第三代半導(dǎo)體中，GaN材料越來越受到人們的關(guān)注。GaN具有很多優(yōu)點：禁帶寬，電子飽和速度高、導(dǎo)熱性能好，擊穿電場高，介電常數(shù)小，熱穩(wěn)定性好，化學(xué)穩(wěn)定性強。因此，第三代半導(dǎo)體的材料特性也終將導(dǎo)致它們會在航空航天、探測、核能開發(fā)、衛(wèi)星、通信、汽車發(fā)動機、顯示器、新型光源、激光打印、存儲器等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。早在20世紀70年代人們就開始探索GaN的生長工藝，但是由于材料生長技術(shù)的限制而無法得到高質(zhì)量的GaN晶體。隨著生長技術(shù)的發(fā)展，先后出現(xiàn)了分子束外延(MBE)和化學(xué)氣相沉積(CVD)等新的方法，這極大地促進了對GaN的研究。藍寶石晶體作為襯底材料，其與GaN晶體具有相同的結(jié)構(gòu)，具有高溫下化學(xué)穩(wěn)定、散熱性能好，容易獲得大尺寸以及價格相對便宜等優(yōu)點，盡管與GaN之間存在較大的晶格失配。隨著生長技術(shù)的不斷改進，目前已經(jīng)能在藍寶石上外延出高質(zhì)量的
GaN晶體，(0001)面的藍寶石晶片已成為實際應(yīng)用的最為理想的襯底材料。

SOS微電子電路

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SOS(Silicon on Sapphire)微電子電路，是指在藍寶石晶片的(1-102)晶面上用異質(zhì)外延方法生長一層硅單晶膜，然后再在硅單晶膜上制作半導(dǎo)體器件的技術(shù)。因SOS微電子電路具有高速度、低功耗和抗輻照等優(yōu)點，所以在手表型移動電話，臺式電腦或筆記本電腦，高速、高頻無線電通訊，小衛(wèi)星、宇宙飛船和航天飛機的發(fā)展中都具有特別重要的應(yīng)用。藍寶石與硅單晶具有相近的熱膨脹系數(shù)。在(1-102)面的藍寶石晶片上，用異質(zhì)外延方法可以生長出一層
(100)面的硅單晶膜，然后再在硅單晶膜上制作半導(dǎo)體器件。晶體結(jié)構(gòu)完整的藍寶石襯底基片，是保證獲得結(jié)構(gòu)完整的硅單晶膜的主要條件。

ZnO、InN及其它外延膜襯底基片

ZnO的室溫禁帶寬度3.37eV，對應(yīng)紫外光波段，為直接帶隙纖鋅礦結(jié)構(gòu)Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體晶體與同類半導(dǎo)體GaN、ZnS相比，ZnO具有更高的激子束縛能，其值達60meV，可以大大降低低溫下激射閥值。因而ZnO有望在室溫或更高溫度下實現(xiàn)激子增益，從而在低閾值短波長激光器方面獲得應(yīng)用。自從在高質(zhì)量ZnO薄膜中實現(xiàn)光抽運室溫紫外激射之后，
ZnO單晶薄膜的生長、p型摻雜等研究課題在世界范圍內(nèi)引起了許多研究組的關(guān)注。藍寶石由其低成本和高的結(jié)晶完整性已被廣泛地用作ZnO外延層的襯底。
在Ⅲ-Ⅴ族氮化物中，InN正受到人們越來越多的關(guān)注。與GaN、AlN相比，InN
具有最小的有效質(zhì)量，在理論上具有最高的載流子遷移率，所以它在高速微
電子器件方面有著廣闊的應(yīng)用前景。同時在Ⅲ-Ⅴ族氮化物中，它還具有最小的
直接帶隙，其值在0.8eV左右，這樣就使得Ⅲ-Ⅴ族氮化物的發(fā)光波長可以從AlN的紫外區(qū)(6.2eV)延伸到InN的紅外區(qū)(0.8eV)，成為制備發(fā)光器件的合適材料。但InN的體單晶制備非常困難，到目前為止人們對InN的研究還處于起始階段，在國外，Masuoka等人用MOVPE方法在藍寶石襯底上首先成功地得到了單晶的InN外延膜。在國內(nèi)，肖紅領(lǐng)等人利用射頻等離子體輔助分子束外延(RF-MBE)方法在藍寶石襯底上獲得了晶體質(zhì)量較好的單晶
InN外延膜。高溫超導(dǎo)薄膜例如
YBa2Cu3O7 - δ (YBCO)的微波表面電阻Rs比常規(guī)金屬材料小幾個數(shù)量級，可用于設(shè)計高性能的無源微波器件，例如濾波器、諧振器、延遲線等。藍寶石晶體的介電常數(shù)小、介質(zhì)損耗低，微波性能優(yōu)異，機械強度大，而且熱導(dǎo)率高，是LaAlO3基片的
20倍以上。大面積的藍寶石單晶材料已經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn)且價相對便宜，因此是很好的基片材料。作為鐵電襯底材料：可用作鐵電存儲器，空間光調(diào)制器，光開關(guān)等，鐵電薄膜的隨機存儲器、紅外探測器、驅(qū)動器、光電調(diào)制器、顯示器等，具有引人注目的優(yōu)異性能和使用價值。