面向氮化镓光电器件应用的氮化镓单晶衬底制备技术研发进展

以氮化镓（GaN）为代表的一系列具有纤锌矿结构的氮化物半导体是直接带隙半导体材料，其组成的二元混晶或三元混晶在室温下禁带宽度从0.7 eV到6.28 eV连续可调，是制备蓝绿光波段光电器件的优选材料。基于氮化镓异质外延制备的HEMT器件和LED器件已广泛应用于3C消费电子、照明和显示面板等领域。

氮化镓单晶衬底材料制备工艺复杂，成本偏高，晶圆尺寸偏小，基于氮化镓单晶衬底的氮化镓垂直功率器件经过多年发展已在商业推广阶段，而基于氮化镓同质外延的氮化镓蓝绿光激光器也在近两年开始逐渐国产化。

 

近日，“2023功率与光电半导体器件设计及集成应用论坛”于西安召开。论坛由第三代半导体产业技术创新战略联盟（CASA）指导，西安交通大学、极智半导体产业网（www.casmita.com）、第三代半导体产业主办，西安电子科技大学、中国科学院半导体研究所、第三代半导体产业技术创新战略联盟人才发展委员会、全国半导体应用产教融合（东莞）职业教育集团联合组织、西安和其光电股份有限公司等单位协办。

期间，“平行论坛2：光电子器件及应用”上，东莞市中镓半导体科技有限公司研发处处长刘强带来了“面向氮化镓同质外延功率/光电器件应用的氮化镓单晶衬底制备技术研发进展”的主题报告。

报告分享了中镓半导体针对氮化镓同质外延的功率器件和光电器件的应用需求开展的针对低错密度和大尺寸氮化镓单晶衬底的研发工作成果，并期望助力下游应用客户一同开展新型氮化镓同质外延光功率/光电器件的研发。研究显示，300K相同载流子浓度时，GaN迁移率更高，因此体电阻率更小。

GaN和SiC晶体热导率受掺杂浓度、位错密度等因素影响，300K相同施主掺杂浓度时，SiC热导率比GaN热导率高约35%。GaN-on-GaN JFET器件易实现常关型器件，采用JTE技术并有雪崩能力可靠性高，单片衬底出芯数高成本低，无动态电阻问题，且同质外延无应力匹配问题可随GaN单晶衬底扩径而迅速扩径。

GaN-on-GaN蓝绿光激光器市场相对成熟，新式应用不断涌现，市场仍在增长；国外厂商高度垄断，国产替代进行中。

目前，中镓半导体设计了大尺寸HVPE设备，以降低生产成本和实现大尺寸单晶衬底生长。中镓半导体使用低温GaN层调控生产制程中的应力，以获得晶向偏角均匀性较好的GaN单晶衬底。单晶衬底尺寸增大，热失配产生的轴向应力增大，同时非线性应变项也同时增大，需套用新的应力模型。

中镓半导体通过改善生长工艺，新一代产品体电阻率可降至0.01Ω·cm以下，位错密度可均匀降至4×105 cm-2量级，表面粗糙度小于0.1nm，TTV、BOW在20μm以内。中镓半导体2寸产品已量产，4寸产品小规模研发生产中，6寸产品工艺路线探索中，此外还提供小方片用于实验。

审核编辑：刘清