氮化鎵（GaN）晶體作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體的代表性材料，具有帶隙寬、擊穿電壓高、熱導(dǎo)率高、抗輻射能力強等優(yōu)異性能，在藍綠激光器、有源相控陣雷達、電力電子器件等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。HVPE方法因其生長條件溫和、生長速度快、生長尺寸大、摻雜可控等優(yōu)點，是目前商業(yè)制備大尺寸GaN單晶襯底的主流方法。然而異質(zhì)襯底因晶格失配和熱膨脹系數(shù)差異引發(fā)的應(yīng)力集中和位錯延伸等難題，始終是制約GaN器件可靠性的瓶頸，直接影響器件的工作壽命。
山東大學(xué)與山東晶鎵半導(dǎo)體有限公司在4英寸高質(zhì)量GaN單晶襯底制備方面取得了重大突破。在《人工晶體學(xué)報》2025年54卷第3期發(fā)表了題為《4英寸高質(zhì)量GaN單晶襯底制備》的論文（第一作者：齊占國；通訊作者：王守志，張雷）。該論文利用獨特的多孔襯底技術(shù)成功制備4英寸高質(zhì)量GaN單晶襯底，其位錯密度低至~9.6×105 cm-2。4英寸GaN襯底技術(shù)突破及規(guī)模化生產(chǎn)對GaN基器件（如藍綠激光器與功率電子器件）的發(fā)展具有重要意義。
本文采用垂直HVPE反應(yīng)系統(tǒng)，以直徑120 mm的藍寶石基GaN多孔襯底作為籽晶進行GaN晶體生長。通過精準調(diào)控氣相V/III比，在生長過程中形成具有位錯阻隔功能的孔洞，該結(jié)構(gòu)同時為后續(xù)降溫過程中的晶片自剝離提供弱界面連接，有效緩解熱應(yīng)力積累。針對生長的GaN晶體（圖1a），采用激光切割技術(shù)去除邊緣微裂紋及缺陷區(qū)，經(jīng)退火、研磨、拋光處理，獲得無損傷、表面光滑的的4英寸GaN單晶襯底（圖1b）。陰極熒光測試結(jié)果顯示晶體的位錯密度低至9.6×105 cm-2（圖1c）；原子力顯微鏡（圖1f）測試襯底表面形貌粗糙度達到原子級（Ra<0.2 nm），滿足器件外延生長需求；高分辨X射線衍射儀（HRXRD）和拉曼測試表明該襯底的結(jié)晶質(zhì)量高、殘應(yīng)力小且分布均勻，這有利于后續(xù)器件外延層質(zhì)量的提升，進一步降低GaN基器件性能衰減（圖1d-1e）。
圖1. HVPE生長后大于4英寸原生GaN單晶照片(a)；加工后的4英寸GaN單晶襯底照片(b)；CL圖像(c)；拉曼圖譜 (d)；(002)面高分辨XRD搖擺曲線(e)；AFM圖像(f).
本文結(jié)合多孔襯底技術(shù)和應(yīng)力調(diào)控策略成功獲得了低應(yīng)力、高質(zhì)量的4英寸GaN單晶襯底。該4英寸GaN襯底在尺寸、晶體質(zhì)量（FWHM平均值為57.91″，位錯密度為~9.6×105 cm-2）、應(yīng)力均一性和表面質(zhì)量方面（無損傷、Ra<0.2 nm）均表現(xiàn)優(yōu)異，達到國際先進水平，為高功率、高頻器件的批量制備奠定了基礎(chǔ)。
通訊作者簡介
張雷，山東大學(xué)晶體材料全國重點實驗室、新一代半導(dǎo)體材料研究院， 教授，博士生導(dǎo)師，《人工晶體學(xué)報》青年編委，山東省泰山學(xué)者青年專家，山東晶鎵半導(dǎo)體有限公司，董事長。主要從事寬禁帶氮化物半導(dǎo)體（GaN、AlN）晶體生長及性能研究工作，氮化物半導(dǎo)體晶體研究方向負責人，先后主持了中央高校科技領(lǐng)軍人才團隊項目、國家自然科學(xué)基金等國家及省部級項目20余項，在Adv. Mater.等期刊發(fā)表SCI論文80余篇，獲授權(quán)發(fā)明專利30余項，其中4項實現(xiàn)了成果轉(zhuǎn)化。
王守志，山東大學(xué)晶體材料全國重點實驗室、新一代半導(dǎo)體材料研究院 教授，博士生導(dǎo)師；山東晶鎵半導(dǎo)體有限公司，總經(jīng)理。長期從事氮化鎵半導(dǎo)體材料與器件的研究工作，先后主持國家自然科學(xué)基金等國家及省部級項目10余項，發(fā)表SCI論文60余篇，申請/授權(quán)發(fā)明專利30余項。
山東大學(xué)新一代半導(dǎo)體材料研究院、晶體材料國家重點實驗室GaN研究團隊從2008年開始GaN單晶制備的研究工作，2021年開始研發(fā)4英寸GaN單晶生長設(shè)備、生長關(guān)鍵技術(shù)和襯底加工技術(shù)，經(jīng)過理論和技術(shù)攻關(guān)，突破了4英寸自支撐GaN單晶襯底的制備關(guān)鍵技術(shù)，為GaN器件向大尺寸、高可靠性方向推進提供了關(guān)鍵材料基礎(chǔ)。
山東晶鎵半導(dǎo)體科技有限公司成立于2023年8月，主要從事氮化鎵（GaN）自支撐單晶襯底的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，公司依托山東大學(xué)研發(fā)的最新GaN單晶生長與襯底加工技術(shù)成果，同山東大學(xué)開展全方位產(chǎn)學(xué)研合作交流，是國際上少數(shù)具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)GaN單晶襯底生長和加工的生產(chǎn)制造廠家。產(chǎn)品應(yīng)用于藍綠光激光器、高性能mini/micro-LED及射頻器件等領(lǐng)域。
（來源：人工晶體學(xué)報）
