相比于第一代和第二代半導體材料，第三代半導體材料具有更高的擊穿場強、電子飽和速率、熱導率以 及更寬的帶隙，更加適用于高頻、大功率、抗輻射、耐腐蝕的電子器件、光電子器件和發光器件的制備。氮化鎵 (GaN)作為第三代半導體材料的代表之一，是制作藍綠激光、射頻微波器件和電力電子器件的理想襯底材料，在 激光顯示、5G 通信、相控陣雷達、航空航天等方面具有廣闊的應用前景。氫化物氣相外延(Hydride vapor phase  epitaxy, HVPE)方法因生長設備簡單、生長條件溫和、生長速度快，成為目前制備 GaN 晶體的主流方法。由于石 英反應器的普遍使用，HVPE 法生長獲得的非故意摻雜 GaN 不可避免地存在施主型雜質 Si 和 O，使其表現為 n 型電學性質，載流子濃度高，導電率低，限制了其在高頻大功率器件的應用。摻雜是改善半導體材料電學性能最 普遍的方法，通過不同摻雜劑的摻雜利用可以獲得不同類型的 GaN 單晶襯底，提高其電化學特性，滿足市場應 用的不同需求。本文介紹了 GaN 半導體晶體材料的基本結構和性質，綜述了近年來采用 HVPE 法生長高質量 GaN 晶體的主要研究進展；對 GaN 的摻雜特性、摻雜劑類型、生長工藝以及摻雜原子對電學性能的影響進行了詳細 介紹。最后簡述了 HVPE 法生長摻雜 GaN 單晶面臨的挑戰和機遇，展望了 GaN 單晶的未來發展前景。

Ⅲ族氮化物作為第三代半導體材料的代表，在 光電子和微電子等領域具有重大的應用前景，與之 相關的材料生長和器件研制受到了研究人員廣泛的 關注，并取得了長足的發展進步。相比于第一代和 第二代半導體材料，以碳化硅(SiC)、氧化鋅(ZnO)、 氮化鎵(GaN)和氮化鋁(AlN)為主的第三代半導體材 料具有更高的擊穿電場、電子飽和速率、熱導率以 及更寬的帶隙，更加適用于高頻、大功率、抗輻射、 耐腐蝕的電子器件、光電子器件和發光器件的研發 制造。 

相比于間接帶隙半導體 SiC 以及存在 p 型摻雜 困擾的 ZnO，GaN 作為第三代半導體材料的代表屬 于直接帶隙半導體，具有帶隙寬、擊穿電壓高、熱 導率高、介電常數小等許多優良的性能。由于其 優異的光學、電學、機械性能以及熱穩定性，已廣 泛應用于藍綠激光器、射頻微波器件等光電子器件 和電力電子器件中，在激光顯示、5G 通信、相控陣 雷達以及智能電網等領域具有重要應用，并逐漸 成為第三代半導體產業的核心支撐材料。 

根據襯底材料的不同，GaN 分為同質外延生長 與異質外延生長。異質襯底外延生長 GaN 材料時， 由于異質襯底與新生長的GaN之間晶格常數與熱膨 脹系數失配的存在，異質外延會引起外延層強應力 的產生，導致裂紋的出現；此外，異質襯底的電學 性質、結構特性都會影響外延材料結晶質量(表面形 貌，缺陷密度，內應力)，與同質外延相比所獲晶體 質量較差(晶片曲率大，位錯密度高)。同質外延能夠 彌補異質外延的不足，生長獲得高質量的晶體。由于GaN 外延生長對襯底質量的依賴性強，無法顯著 提高新生長晶體的質量，需要高質量的襯底進行彌 補，如何獲得大尺寸、高質量的 GaN 單晶仍然是目 前的研究重點。 

相較于氨熱法、助溶劑法等方法，氫化物氣相 外延(HVPE)法設備簡單、成本低、生長速度快，生 長得到的 GaN 單晶尺寸大、均勻性好，易于控制光 電性能，成為國內外研究熱點，也是目前應用最為 廣泛也最有前景的 GaN 單晶商業生長方法。由于 HVPE 石英反應器的使用，使得 GaN 外延生長過程 中不可避免地摻入了施主型雜質 Si 和 O，而且 GaN 內部的部分本征缺陷也是施主型的，使得非故意摻 雜 GaN 呈現出 n 型的電學性質。非故意摻雜 GaN 的本底載流子濃度高，導電率低，波動范圍大，限 制了其進一步的研發應用。 

為了彌補非故意摻雜 GaN 電學性質的不足，更 好地利用 GaN 優異的性質，需要對其進行高純度生 長或摻雜處理。通過對其摻雜可以獲得不同電學特 性的 GaN 材料，提高其電化學特性，開闊其應用領 域。本文系統綜述了 GaN 晶體的 HVPE 生長與摻 雜的原理與最新研究進展，介紹了各種類型摻雜原 子對 GaN 單晶生長的影響，并對 GaN 晶體 HVPE 生長與摻雜的發展趨勢做出了展望。 

1 GaN晶體

1.1 GaN 晶體結構與缺陷 

常溫常壓下 GaN 單晶為固態，具有三種晶體結 構，分別為六方纖鋅礦結構、立方閃鋅礦結構以及 巖鹽礦結構。在室溫常壓下纖鋅礦結構是熱力學穩 定結構，屬于 P63mc 空間群，是 GaN 單晶最常見的 晶體結構。在纖鋅礦 GaN 結構中，每個晶胞中存在 六個 Ga 原子和六個 N 原子。在晶胞中每個 Ga 原子 均被距離最近的四個Ｎ原子包圍，形成配位四面體；同樣的，每個 N 原子也被距離最近的四個 Ga 原子 包圍形成四面體配位，因此纖鋅礦結構 GaN 也可以 理解為兩套六方點陣套構形成，熱力學結構穩定(見 圖 1(a))。 

由于六方結構的特殊對稱性，六方 GaN 晶系可 采用三軸米勒指數(hkl)進行表示，也可采用四軸的 米勒-布拉維指數(hkil)表示，其中 i=-(h+k)，雖然兩 種表示方式效果相同，但是相比密勒指數，米勒-布 拉維指數更普遍直觀，得到廣泛應用。

在 GaN 晶體中，由于纖鋅礦結構的非中心對稱 性，導致不同方向觀察到的GaN晶體顯示不同的面：在 c 軸方向，即[0001]方向所指的面為 Ga 面，[000-1] 方向所指的面是 N 面(性能存在明顯差異，相比于 N 面，Ga 面更加穩定)。由于晶體結構的影響，晶體 的 c 軸([0001])方向具有極性。根據晶面與[0001]方 向所成夾角的不同將 GaN 的晶面分為三類：第一種 是與[0001]基矢垂直的極性面，也被稱為 c 面、基面 或(000m)面；第二種是與[0001]基矢平行的非極性面， 實際上只存在兩種非極性面，即 m 面{10-10}和 a 面{11-20}；第三種就是與[0001]基矢夾角介于 0°和 90°之間的半極性面(見圖 1(b))）。根據 GaN 樣品 的粉末 X 射線衍射結果可知，只有有限的晶面真正 包含原子，潛在的半極性面有：{10-10}，{10-12}， {10-13}，{10-14}，{10-15}，{11-22}，{11-24}，{20-21}， {20-23}，{30-32}，{31-30}，{21-32}和{21-33}；目 前以{10-10}，{10-13}，{10-14}，{11-22}，{20-21} 以及{31-30}為代表的半極性面已被發現并研究。

完美晶體中的原子是嚴格周期性規則排列的， 但生長過程中缺陷的產生不僅破壞了晶體結構的完 整性，還會對晶體的性質產生影響。因此研究晶體 中缺陷的產生、相互作用以及對性能的影響對于提 升 GaN 晶體的光電性能，提升 GaN 基器件的效率 和穩定性具有重要的意義。GaN 晶體生長過程中缺 陷的產生是不可避免的，根據尺度和形貌的不同， 缺陷被分為四種[4]：零維缺陷，即點缺陷，與單個 原子的位置有關，如空位(VGa、VN)、間隙原子(Ni、 Gai、間隙雜質原子)、替代原子(NGa、GaN、替代雜 質原子)，摻雜 GaN 就是通過晶體中雜質原子形成 點缺陷從而影響晶體的光電性質。不同的點缺陷作 為施主、受主或等電子雜質發揮作用，GaN 中常見 的施主有 Ga 格點位置上的 Si、Ge 以及 N 格點位置 的 O、S、Se 等；GaN 中常見的受主有 Ga 格點位置 上的 Mg、Ca、Zn 以及 N 格點位置的 Fe、C、Si、 Ge 等。一維缺陷，也稱線缺陷，與某一個方向有關， 如位錯；二維缺陷，也稱面缺陷，與某個晶面有關， 如晶界，晶面，堆垛層錯；三維缺陷，也稱體缺陷， 與體積相關，如空洞，裂紋，凹坑。 

GaN 的禁帶寬度高達 3.4 eV，決定了 GaN 材料 在近紫外與藍綠光光電器件等方面具有得天獨厚的 優勢。高電子遷移率和高飽和電子速率意味著 GaN 可以被應用于制作高速電子器件，尤其是二維電子 氣中的高載流子遷移率使得 GaN 基 HEMT 器件得 到廣泛應用。而且相對 Si 和 GaAs 等第一、二代半 導體材料而言，GaN 較高的熱導率與擊穿場強使得 GaN 基器件可以在嚴苛環境進行大功率下工作，應 用前景更為廣闊。

1.2 GaN 的 HVPE 生長方法 

GaN 的結晶是一個相當具有挑戰性的過程，其 在極高溫下熔化(>2500 ℃)，均勻熔化所需的 N2 壓 力預計將高于 6 GPa，因此目前無法從熔融體中直 接實現 GaN 生長。目前 GaN 的生長方法有 HVPE 法、助溶劑法、氨熱法、高壓溶液生長法(HNPS)以 及化學氣相沉積(CVD)等方法。相比于氨熱法、助 溶劑法等傳統方法，HVPE 法具有生長條件溫和、 生長設備要求低，生長速率快(高達每小時數百微米)、 工藝可重復性高、容易摻雜等優點，成為 GaN 商業 制備應用最為廣泛的方法，也被認為是最具有潛力 的生長 GaN 晶體的方法。HVPE 法的生長速度主要取決于反應器的幾何形狀、源氣體流量以及生長溫 度。采用 HVPE 法可以快速生長出低位錯密度的厚膜，其缺點是很難將膜厚進行精確控制，反應氣體 HCl 對設備具有一定的腐蝕性，影響 GaN 材料純度 的進一步提高。 

HVPE 是基于氣相的生長方法。主要機理為在 低溫區(~850 ℃)金屬 Ga 與 HCl 反應形成的 GaCl 作為 Ga 源與作為 N 源的 NH3通過 N2和 H2的混合 載氣運送到高溫區(~1040 ℃)的襯底表面在壓力低 于 1 個大氣壓下反應生成 GaN，反應公式如下所示 (反應器結構如圖 2 所示)。

HVPE 生長 GaN 具有兩種生長模式：低溫(Low  temperature, LT)模式和高溫(High temperature, HT) 模式。在這些模式下生長的薄膜因表面粗糙度、凹 坑的密度和形狀以及生長應力值不同而存在明顯差 別。HT 模式下表面光滑，但生長應力高，容易產生 裂紋。LT 模式下表面粗糙，具有高密度的 V 型凹坑， 但這種薄膜沒有裂紋。 

目前制備 GaN 器件最常用的襯底為 SiC、藍寶 石(Al2O3)、AlN 等異質襯底材料，但是由于異質襯 底與 GaN 之間晶格失配和熱膨脹系數失配的存在， 會對生長所得晶體的質量、性能產生不可避免的影 響，降低器件的使用壽命和可靠性。同質襯底能夠 減少應力和開裂，提高其性能。 

生長工藝對晶體質量會產生較大影響。通過生 長過程中對溫度、流量以及 V/Ⅲ的調整可以有效地 提高 GaN 的晶體質量。由于同質襯底的缺乏，異 質外延仍為 GaN 晶體生長的主流選擇，解決異質外 延過程中因失配造成應力尤為重要。其中最為嚴重 的影響當屬GaN與異質襯底間由于晶格失配和熱失 配而造成的開裂，限制了大尺寸單晶的完整獲取， 為了避免開裂，以襯底預處理為主的輔助技術應運 而生。對襯底進行蝕刻預處理以及緩沖層的 加入也能夠降低生長所得晶體內缺陷(位錯)的密度， 提高 GaN 的晶體質量。多孔襯底是半導體生長技術 中實現低位錯密度的簡單方法，為晶格失配材料的 異質外延生長提供了可靠的應用，顯著降低異質外 延過程中產生的應力，提高外延層的光學質量。Liu 等在 2021 年通過將低溫 AlN 緩沖層以及 3D  GaN 中間層結合的方式，利用激光剝離技術(Laser  lift-off technique, LLO)成功在藍寶石襯底上獲得高 晶體質量的 2 英寸無裂紋自支撐 GaN，進一步提高 了 GaN 外延薄膜的晶體質量。在 LLO 操作中，激 光輻射通過藍寶石，被界面處的 GaN 吸收并迅速分 解成金屬 Ga 和 N2，然后產生的 N2 膨脹將界面的兩 側分離，完成 GaN 的分離。激光掃描速度、激 光強度、環境壓力條件等操作參數都會影響分 離的 GaN 材料的質量，需要對其精確調整。在激光 發射后，GaN 薄膜中的壓縮應力主要來自于 GaN 薄 膜與藍寶石襯底之間的熱失配。由界面 GaN 分解形 成的 N2 的蒸發壓力和應力釋放會造成開裂，通過 增加 GaN 厚度減少壓縮應力，能夠更容易實現 GaN 的激光剝離。

1.3 HVPE 法生長

GaN 晶體進展 GaN 的晶體生長進展穩步推進，國外機構以波 蘭物理研究所，日本的三菱、住友、SCIOCS，美國 的 Kyma 等公司的研制研發領先；我國在 GaN 半導 體材料領域起步較晚，但已有較多相關基礎研究技 術儲備，其中蘇州納維、中鎵 2 英寸 GaN 晶體已實 現量產，山東大學、中國電子科技集團有限公司第 四十六研究所等單位也取得了長足的進步。 在功率半導體中，GaN和SiC都是優于傳統Si的材料，可實現更高的速度、更大的節能、更快的充電，并顯著降低尺寸、重量和成本。

2022年盡管消費電子等終端市場需求有所下滑，但受益于新能源汽車電驅系統、光伏儲能、高壓充電樁、軌道交通、移動電源、數據中心及通訊基站電源等領域的快速發展，SiC/GaN功率半導體市場需求相對強勁。

01 GaN快充起量

以消費類電子為例，使用GaN芯片的充電器體積小，充電速度更快。自2021年2月，小米新品發布會上推出明星產品65W GaN充電器引發市場關注，GaN快充市場規?？焖偕仙?。從各大消費電子品牌到第三方配件廠商，紛紛推出了采用GaN技術的快充產品。即使是最為謹慎的蘋果，也為最新的筆記本配備了采用GaN技術的140W快充充電器。當前，百瓦級GaN大功率快充產品已經進入成長期，進一步加速GaN在消費應用的規?；瘮U張。就在近日，Navitas宣布其下一代GaNFast™技術已獲近期發布的realme GT3（國內為realme GT Neo5）隨機標配的240W超快充充電器采用，全球首款240W滿級秒充來了！

02  SiC加速上車

在新能源汽車領域，SiC的需求非常強勁，SiC上車的產業化進程不斷加快。Infineon最新表示：“SiC能夠顯著提升新能源汽車的續航里程，或者在相同的續航里程下，大幅降低電池裝機量和成本。因此，SiC正在越來越多地被用于牽引主逆變器、車載充電機OBC以及高低壓DC-DC轉換器中”。Navitas也表示：“SiC具備的高壓、高結溫特性，使得它在800V主驅系統中產生的價值是其他功率器件所不可替代的”。也就是說，基于SiC對主驅性能、續航里程提升，以及更大功率系統在高端車型中的應用，主機廠是認可并愿意買單的。僅2023年一季度，國內外已宣布或準備上車SiC的車企超過20家，包括比亞迪、特斯拉、大眾、奔馳、寶馬、奧迪、現代等。其中，Infineon與現代集團簽訂數億歐元SiC訂單，Infineon SiC器件將被用于現代、起亞和捷尼賽思等汽車的主驅電控逆變器；Onsemi與寶馬汽車集團（BMW）簽署長期供貨協議，其750V EliteSiC模塊將上車寶馬的400V電動動力傳動系統；邁凱倫表示，其800V逆變器將搭載意法半導體的SiC模塊；路虎攬勝宣布采用Wolfspeed SiC技術……

03  SiC+GaN引發關注

SiC商用比GaN更加成熟，受到產業和資本更多關注。GaN憑借其高頻特性，獨具發展潛力。上個月，作為全球功率半導體大廠的Infineon突然收購了GaN初創公司GaN Systems，而全球GaN細分領域的領導者Navitas早在去年8月份就收購了SiC企業GeneSiC。一時間，SiC+GaN成為行業議論熱點，引發市場更多關注！是SiC和GaN開始互卷了嗎？還是其中蘊含的機會更大了呢！

04  Infineon“超預期”收購GaN Systems

Infineon于1999年正式成立，2000年上市，是全球領先的IDM半導體公司之一。總部位于德國，業務遍及全球，主要為汽車和工業功率器件、芯片卡和安全應用提供半導體和系統解決方案，并且在Si基功率半導體中占據重要地位。

2023年3月，Infineon以8.3億美元收購GaN初創公司GaN Systems，通過此次收購，Infineon將同時擁有Si、SiC和GaN三種主要的功率半導體技術。本次收購備受業內關注，因為僅有GaN業務的GaN Systems幾乎獲得了與GaN細分領域的領導者Navitas相近的估值！

GaN Systems于2008年在加拿大渥太華成立，是一家專注于GaN功率器件的研發、設計公司。GaN Systems研發出全功率范圍的GaN功率開關管，產品廣泛應用于通信電源、工業電源及交通電源等市場。GaN Systems獨特的lsland Technology®技術革命性的提升了產品成本、性能和可量產性，使芯片更小、更高效。

05 Navitas加速橫向并購

Navitas成立于2014年，是全球著名的GaN功率IC公司，2021年正式在美國納斯達克上市?？偛课挥趷蹱柼m，在中國的上海、杭州、深圳和美國的洛杉磯設有研發中心。Navitas GaN IC集成了GaN電源和驅動器以及保護和控制功能，充電速度更快、功率密度更高、節能效果更強，適用于移動、消費、企業、電子移動和新能源市場。與ST、Onsemi、Infineon等IDM廠商不同，Navitas作為GaN器件設計公司，在完成IC設計之后，主要通過臺積電等代工企業代工，并通過Amkor等封測廠完成封裝測試。目前，Navitas與包括X-FAB在內的12家以上的伙伴展開了合作，以確保產能和交付能力。

2021年5月，Navitas宣布與Live Oak II達成合并交易并以10.4億美元的企業價值準備上市。同年10月，Navitas正式登陸納斯達克，上市當日市值超過16億美元，總融資額超3.2億美元。該筆交易為Navitas的未來增長計劃提供資金支持，也為之后的連續并購奠定基礎。

2022年7月，收購先進數字隔離器廠商VDD Tech，其隔離技術是Navitas不斷增長的電源和控制集成戰略的關鍵部分。

VDD Tech是用于下一代功率轉換的先進數字隔離器的創造者，其專有調制技術可在兆赫茲以上的開關速度下實現穩定、可靠、高效的電源轉換，在消費類、電機驅動、太陽能、數據中心和電動汽車等大功率市場中實現尺寸、重量和系統成本的改進至關重要。

2022年8月，2.78億美元收購SiC企業GeneSiC，業務線拓展至SiC市場，Navitas GaNFast+GeneSiC雙管齊下，并駕齊驅。

GeneSiC成立于2004年，在SiC功率器件設計和工藝方面擁有深厚專業知識，2021年SiC功率器件營收全球排名第八，主要提供650V～6500V全系列車規級SiC MOS，產品主要由X-Fab代工，已經在全球知名電動汽車品牌大量出貨。收購完成，GeneSiC憑借Navitas在全球的網絡布局，有助于協同新客戶，加速擴大市場份額。

2023年1月，2000萬美元收購廣東希荻微電子股份有限公司（以下簡稱“希荻微”）持有的Si控制IC合資公司的少數股權，Navita認為合資公司開發的專用Si控制器產品經過優化，能夠與Navita的GaN功率芯片結合應用，在效率、密度、成本及集成度等方面創造新高水準。

希荻微是國內領先的半導體和集成電路設計企業之一，主要從事包括電源管理芯片及信號鏈芯片在內的模擬集成電路的研發、設計和銷售，產品應用于消費類電子和車載電子領域，現有產品布局覆蓋DC/DC芯片、超級快充芯片、鋰電池快充芯片、端口保護和信號切換芯片、AC/DC芯片等。

2021年底Navitas曾表示：GaN芯片需要慢慢在功率半導體領域替代Si芯片，節奏似乎并不緊張。但回顧2022年，Navitas GaN有近100款全新GaN極速充電器在全球知名手機品牌終端推出，Navitas SiC技術在電動汽車領域應用并被集成到超過50%的美國路邊充電器中，目前正在研發或生產SiC車載充電器……Navitas連續完成3起并購交易，在增加SiC業務的同時，掌控先進數字隔離技術及Si模擬控制器技術。Navitas首席執行官兼聯合創始人Gene Sheridan最新表示：2023年將在所有目標市場實現強勁增長，其中包括電動汽車、太陽能/儲能、家電/工業和移動/消費者市場。

06 國際SiC/GaN產業格局或加快成型

國際上，Onsemi、ST、Rohm等傳統半導體大廠、SiC/GaN巨頭紛紛加快第三代半導體產業整體布局和業務戰略調整，通過投資擴產、收購、合并等方式不斷擴大自身規模，國際企業競爭卡位格局加快成型。盡管當前SiC襯底成本仍舊居高不下，還要考慮良率、缺陷、封裝、器件設計等方面的多個要素，GaN技術和工藝商業化程度更是偏低，但產業發展趨勢卻愈發明朗。隨著SiC/GaN技術的不斷成熟和市場需求的不斷增加，這些巨頭的產業整合優勢將會愈發凸顯，規模勢必迅速擴大，加速占領市場份額，進而奠定產業格局。

附：2023Q1 國內外SiC/GaN相關并購案

（來源：材料深一度）