獲得國家技術發明獎一等獎的Si襯底GaN基led是何方神圣？

昨天，國內最高等級的科技獎勵出爐。大眾的關注焦點在于獲得諾貝爾獎的屠呦呦竟然沒有獲獎！官方解釋是無人推薦。一時間又是一地雞毛。

其實除了矚目的屠呦呦先生沒有獲獎之外，國家科技獎還有很多關注點，比如國家技術發明獎一等獎的硅襯底高光效GaN基藍色發光二極管。

早在去年，藍色發光二極管就火過一陣子。大家還記得那個傳奇人物“中村修二”嗎？簡單的來說，這是一個師出“二流院校”、沒有高學歷、極其惡劣的研發環境、遭受同行和上司的詰難，最終成功研發高亮度藍光LED的“神人”。最后，中村修二與人分享了2014年諾貝爾物理學獎。他的最重要成就就是高光效GaN基藍色發光二極管。材料人網曾有專門文章介紹：藍光LED和締造者中村修二不“二”般的傳奇。（中村修二去年曾來中科院訪問，有事出門做實驗，沒能蹭上一張合照，好遺憾吶……）

說藍色發光二極管之前，我們先要了解發光二極管。發光二極管，英文名light emitting diode，縮寫LED。LED由PN結芯片、電極和光學系統組成，之所以發光是電子躍遷導致。

LED最為人稱道的用途是照明。諾貝爾獎評選委員會在關于獲獎成就的聲明中指出：“20世紀由白熾燈照亮的，那么21世紀將是被LED燈照亮的。”

不過，能夠作為照明的只能是白光LED。用紅紅綠綠的燈照明的那是酒吧。而我們知道，五彩繽紛的顏色是由紅、綠、藍三種原色組成。要想獲得白光LED，只能由紅、綠、藍LED組成。20世紀60年代、70年代，紅、綠LED陸續研發成功。直到20世紀90年代，中村修二才終于發明了基于氮化鎵和銦氮化鎵的具有商業應用價值的藍光LED。

那么好了，為什么國家技術發明獎一等獎和諾獎都說的是GaN基LED呢？看來我們還要先認識下GaN兄。

雖然我們搞材料自夸現在是新材料時代，不過這句話沒什么太大的說服力，半導體Si仍然是這個時代當之無愧的代言人。而這個GaN，也是一種半導體材料，幾乎可以算得上半導體領域的“儲君”了吧。

LED是靠電子躍遷發光，所以波長就取決于半導體材料的禁帶寬度。而GaN 基材料具備從 1.9 eV到 6.2 eV之間連續可調的直接寬帶隙，所以理論上可以完全覆蓋從紅光到紫外光的整個可見光光譜。再加上高電子漂移飽和速度、導熱性能好、化學穩定性高，所以這家伙適合應用于發光器件。國內將它與SiC , AlN , ZnSe稱之為“第三代半導體材料”。雖然三代不三代這種叫法，國外不怎么感冒，但GaN的潛力還是全球公認的。

不過GaN有一段時間可是“失了寵”。它沒有合適的單晶襯底材料, 位錯密度大,無法實現P型摻雜等問題，遭到了冷落。直到20世紀90年代后,由于緩沖層技術的采用和P型摻雜技術的突破，才讓它成為研究的主流。

那么這次獲得國家技術發明獎一等獎的GaN基藍光LED與獲得諾獎的藍光LED有什么不同呢？

在科技部介紹這個項目的頁面上，我們可以看到以下這張圖

第一條路線，就是諾獎的成果，而第三條就是南昌大學材料科學研究所江風益教授的成果，也就是獲得國家技術發明獎一等獎的項目。

很顯然，最明顯的區別是襯底材料。而且我們可以看到似乎藍光LED在用襯底材料來劃分技術路線。

為什么要用襯底材料來劃分技術路線？這就要說到它的重要性了。不同的襯底材料需要不同的外延生長技術、不同的制造工藝，芯片加工和器件封裝也會受影響，所以公認是LED照明產業鏈的基礎和關鍵。

襯底材料的選擇也非常講究，要考慮結構性能、晶格匹配、熱膨脹系數匹配、化學穩定性好，還有易加工和低成本。具體到GaN基半導體，襯底材料的選擇就只剩下藍寶石（氧化鋁）、SiC、Si、GaN以及AlN。后兩者產業化為時尚遠，我們討論下前三者。

就材料性能而言，SiC是最合適作為襯底材料，晶格失配只有（當然，理論上最合適的還是GaN)。不過生長高質量、大尺寸SiC單晶難度較大，同尺寸的 SiC襯底價格為藍寶石襯底的幾十倍。

就材料價格而言，Si的優勢最大。單晶硅材料生長技術成熟度高, 容易獲得低成本、大尺寸 (6—12英寸)、高質量的襯底。低廉的價格讓硅對其他襯底材料有壓倒性優勢。不過，就材料性能上，Si是三者中最不適合作為襯底材料的。Si單晶與GaN存在很大的晶格失配 (16.9%) 和 熱失配 (57%)，這在三種材料中是最高的。為此，Si襯底上生長出與其他材料質量相當的GaN 外延層，需要更多的生長步驟與更復雜的工藝，成本也隨之上升。

所以，SiC和Si在性能和價格上有點是兩個極端，而藍寶石綜合性能高。藍寶石與GaN也有很大的晶格失配（13.9%）和熱失配（30%），比SiC高，比Si低。藍寶石的價格也相對較低，使用熔體法技術生長, 工藝更成熟, 可獲得較低成本、較大尺寸、高質量的單晶, 適合產業化發展。綜合來看，目前藍寶石是GaN基LED最合適的襯底材料。較大尺寸、低成本、高質量藍寶石襯底已實現大規模工業化生產, 在今后一段時間, 藍寶石恐怕仍將是LED行業的主流襯底材料。

總的來說，三種材料各有千秋。藍寶石應用最廣，成本較低，不過導電性差、熱導率低；單晶硅襯底尺寸最大、成本最低，但先天巨大的晶格失配與熱失配；碳化硅性能優越，但襯底本身的制備技術拉后腿。

因此，最終鹿死誰手，尤未可知。

但對于中國來說，Si襯底路線可能具有材料之外的意義。雖然目前LED 襯底材料主要以藍寶石襯底材料為主，SiC襯底材料次之。但藍寶石襯底的生產技術已被日本日亞公司壟斷，SiC襯底被美國 CREE 公司壟斷。而Si襯底材料生產技術屬于中國原創。

因此，國家863專家組對硅基LED項目作出的評價是這樣的：“改變了目前日本日亞公司壟斷藍寶石襯底和美國CREE公司壟斷碳化硅襯底LED照明芯片技術的局面，形成了藍寶石、碳化硅、硅襯底半導體照明技術方案三足鼎立的局面。”

材料人網電子電工材料學習小組楊楊供稿，材料牛編輯整理。