基于HVPE的氮化镓单晶衬底设备与工艺技术

第三代半导体，具有宽禁带、高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率、良好的化学稳定性等特点，被业内誉为固态光源、电力电子、微波射频器件的核心基础技术—“核芯”以及光电子和微电子等IT产业的“新发动机” 。

光电领域是GaN应用最成熟的领域，包括显示、背光、照明等，以GaN为基础的半导体固态照明技术是21世纪初最成功的技术革命之一。GaN功率器件具备高开关频率、耐高温、低损耗等优势，主要用于消费电子充电器、新能源充电桩、数据中心、卫星通讯、5G宏基站、微波雷达和预警探测等领域。

近日，第九届国际第三代半导体论坛（IFWS）&第二十届中国国际半导体照明论坛（SSLCHINA）在厦门国际会议中心召开。期间，“氮化物衬底、外延生长及其相关设备技术分会“上，南京大学修向前教授做了“基于HVPE的氮化镓单晶衬底设备与工艺技术”的主题报告，分享了氮化镓单晶衬底制备技术与产业化技术的研究进展。

高质量单晶衬底可以为高性能器件提供晶格匹配和优良的热传输特性，GaN同质外延相比异质外延具有更好的优势，除了高性能以外还可以简化垂直型结构器件的制备工艺流程等。缺乏高质量GaN衬底是制约高性能GaN器件应用发展的瓶颈。

当前，HVPE设备一直未实现商品化，涉及生长窗口窄可重复性差，异质外延成核困难；预反应/寄生反应、空间反应等严重，长时间生长速率不稳定；歧化反应，石英反应室管壁沉积严重，大量反应副产物氯化铵粉末。设备技术与生长工艺高度结合。

报告中介绍了大尺寸HVPE设备模拟与仿真、HVPE-GaN衬底材料技术、HVPE-GaN单晶衬底技术、HVPE-GaN衬底设备与材料技术、GaN单晶衬底剥离技术等研究进展。大尺寸HVPE设备模拟与仿真，采用有限元法对6英寸HVPE反应室内气体的输运现象进行模拟，以获得最佳的工艺参数以同时满足高生长速率和高均匀性的薄膜生长需求。大尺寸通用型HVPE国产化设备，高生长速率（>100µm/h）、高厚度均匀性（>95%）、自主成核、镓源高利用率且长时间稳定供应、长寿命反应室、通用性强（GaN/Ga2O3 外延且互为衬底外延）。

报告指出，如何提高GaN衬底尺寸、成品率和产量从而降低衬底价格是主要难点。

审核编辑：刘清