用于氮化镓研究的衬底材料比较多,但是能用于生产的目前只有两种,即蓝宝石(A1203)和碳化硅(SiC)衬底。
(1)氮化镓衬底
用于氮化镓生长的最理想的衬底是氮化镓单晶材料,它可以大大提高外延片膜的晶体品质,降低位元错密度,提高器件工作寿命,提高发光效率,提高器件工作电流密度。可是,制备氮化镓体单晶材料非常困难,到目前为止尚未有行之有效的办法。有研究人员通过HⅤPE方法在其他衬底(如A1203、SiC、LCO)上生长氮化镓厚膜,然后通过剥离技术实现衬底和氮化镓厚膜的分离,分离后的氮化镓厚膜可作为外延用的衬底。氮化镓厚膜的优点非常明显,即以它为衬底外延的氮化镓薄膜的位元错密度,比在A1203、SiC上外延的氮化镓薄膜的位元错密度低。但其价格昂贵,因而氮化镓厚膜作为半导体照明的衬底应用受到了限制。
(2)蓝宝石衬底
目前用于氮化镓生长的最普遍的衬底是A1203,其优点是化学稳定性好,不吸收可见光,价格适中,制造技术相对成熟。但是,其导热性差,尤其在功率型器件大电流工作时。
(3)SiC衬底
除了A1203衬底外,目前用于氮化镓生长衬底的是SiC。SiC有许多突出的优点,如化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等,但其价格太高、晶体品质难以达到A1203和Si的水平、机械加工性能比较差。另外,SiC衬底吸收380mm以下的紫外光因此不适合用来研发380mm以下的紫外LED。由于SC:衬底具有优异的导电性能和导热性能,所以不需要像A1203衬底上的功率型氮化镓LED那样采用倒装焊技术解决散热问题而采用上下电极结构。
(4)Si衬底
在硅衬底上制备发光二极体是梦寐以求的一件事情,因为外延片生长成本和器件加工成本将大幅度下降。Si片作为GaN材料的衬底有许多优点,如晶体品质高,尺寸大,成本低,易加工,导电性、导热性和热稳定性良好等。然而,由于GaN外延层与Si衬底之间存在巨大的晶格失配和热失配,以及在GaN的生长过程中容易形成非晶氮化硅,所以在Si衬底上很难得到无龟裂的器件级品质的GaN材料。另外,由于硅衬底对光的吸收严重,所以LED出光效率低。
(5)ZnO衬底
ZnO可作为GaN外延片的候选衬底,因为两者具有惊人的相似之处。ZnO作为GaN外延衬底的致命弱点是在CaN外延生长的温度和气氛中容易分解和被腐蚀。但是,ZnO本身是一种有潜力的发光材料。znO的禁带宽度为3-37eV,属直接带隙,与CaN、SiC、金刚石等禁带宽度较宽的半导体材料相比,它在380nm附近的紫光波段的发展潜力最大,是高效紫光发光器件、低阈值紫光半导体镭射器的候选材料。ZnO材料的生长非常安全,可以用水为氧源,用有机金属锌为锌源。
(6)ZnSe衬底
有人使用MBE在Zse衬底上生长 nCdS/ ZnSe等材料,用于蓝光和绿光LED器件但是并没有推广,因为其发光效率较低,而且自补偿效应的影响使其性能不稳定,器件寿命较短。