MOCVD技术丨实现6英寸蓝宝石基板GaN基LED关键突破

在半导体照明与光电子领域，氮化镓（GaN）基发光二极管（LED）凭借其卓越性能，长期占据研究焦点位置。它广泛应用于照明、显示、通信等诸多关键领域。在6英寸蓝宝石基板上，基于六方氮化硼（h-BN）模板的GaN基LED的生长、制造及器件转移工艺的成功研发，有效解决了大尺寸基板上相关材料生长和器件制备过程中的分层、晶圆翘曲等关键问题。美能显示作为专注显示行业精密高效检测设备研发的企业，将持续关注核心材料的最新应用及动态，拓展其在更多领域的应用，推动整个行业迈向新的发展阶段。

范德华外延技术的发展与挑战

Millennial Display

近十年，范德华外延（vdW）技术在III族氮化物领域发展迅速。其3D/2D生长模式借助弱范德华力，实现晶格与热失配引起的应变弹性弛豫，有效减少位错与缺陷生成，为缓冲层设计和器件制备提供了更大自由度，同时支持异质结构的大面积机械分离与灵活转移。

基于范德华外延的GaN（氮化镓）薄膜转移工艺流程图

作为理想二维衬底，六方氮化硼(h-BN)凭借优异的高温稳定性、与MOCVD等主流生长工艺的兼容性，以及在多种基板上的适配能力，成为III族氮化物异质结构的核心载体。

然而，大规模生产中仍面临关键挑战：大尺寸基板与h-BN层间的弱范德华结合力难以承受热膨胀应力，导致生长或冷却过程中易发生自发分层；当工艺扩展至6英寸晶圆时，高温下基板翘曲会引发晶圆表面温度不均，造成薄膜质量波动、器件性能一致性下降，甚至导致InGaN/GaN多量子阱中铟含量不均，引发发射波长漂移。

目前，完整6英寸及更大尺寸晶圆上的h-BN生长及后续vdW外延工艺尚未有公开报道，相关技术突破需聚焦于生长条件优化与设备改进。

20nmh-BN在6英寸蓝宝石基板上的生长及相关特性图

6英寸蓝宝石基板上的技术突破

Millennial Display

本研究中，科研团队利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，在6英寸蓝宝石基板上成功实现了2Dh-BN的生长以及GaN基LED异质结构的范德华外延。

GaN基LED异质结构在h-BN/6英寸蓝宝石基板上的生长情况

在2Dh-BN生长方面，生长的20nmh-BN层均匀透明、无分层现象。通过HR-XRD、SEM、AFM和拉曼光谱等表征手段分析，其晶体结构、形貌与2英寸基板上生长的h-BN相似，且可作为GaN基LED异质结构的释放层，为后续器件分离和转移奠定基础。

对于GaN基LED异质结构生长，研究团队针对分层问题，优化生长腔3区加热器控制温度均匀性，降低升温速率以减小不同层生长温度变化斜率，在气体切换时通过逐步注入混合气体控制表面温度，实现了无分层的高质量异质结构生长。据HR-XRD和PL光谱分析（图d）表明，生长的LED异质结构结晶质量良好，发射波长均匀，晶圆翘曲度降低。

器件性能与转移技术

Millennial Display

基于生长的异质结构制备的LED器件呈现出良好的整流特性，阈值电压约4.5V，尽管受p-GaN和n-GaN层结晶质量影响，正向电压较高，但器件电致发光峰值波长为437nm，与之前的光致发光测量结果相符，且随着注入电流增加，电致发光强度增强。

在h-BN/6英寸蓝宝石基板上生长的GaN基LED

器件的加工过程及光学、电学特性图

在器件转移方面，研究团队采用自剥离转移工艺（SLOT），将LED异质结构从6英寸蓝宝石基板转移到柔性铜载体上，制备出垂直LED结构。这种转移技术拓展了LED器件在不同电子系统中的应用范围。

自剥离转移工艺（SLOT）的不同步骤图

研究意义与未来展望

Millennial Display

此次研究成功实现了6英寸蓝宝石基板上基于h-BN模板的vdW外延和蓝光LED器件的制造、剥离与转移，为GaN基LED在h-BN/sapphire上的商业化生产提供了有力支持。研究中避免分层的方法有望应用于8英寸、10英寸、12英寸及更大尺寸的基板，适应蓝宝石基板生产的规模化需求。

美能显示专注检测显示设备领域，持续深耕检测技术，全力提升光学检测、图像识别处理等核心检测技术水平，拓展业务覆盖范畴。在活力充沛的GaN基LED显示检测市场中，将充分发挥检测技术与设备优势，推动检测技术创新应用，为半导体光电子产业的质量把控与发展提供有力支撑，助力产业在检测环节实现技术升级与高效发展。

原文出处:《Scaling up of Growth, Fabrication, and Device Transfer Process for GaN-based LEDs on H-BN Templates to 6-inch Sapphire Substrates》

*特别声明：本公众号所发布的原创及转载文章，仅用于学术分享和传递行业相关信息。未经授权，不得抄袭、篡改、引用、转载等侵犯本公众号相关权益的行为。内容仅供参考，如涉及版权问题，敬请联系，我们将在第一时间核实并处理。