氮化镓(GaN)作为第三代宽禁带半导体核心材料之一，具有高击穿场强、高饱和电子漂移速率、抗辐射能力强和良好的化学稳定性等优良特性，是制作宽波谱、高功率、高效率光电子、电力电子和微电子的理想材料。

目前氮化镓一个非常热门的应用就是取代硅芯片用于手机快充，氮化镓功率器件是普通硅基的数十倍功率特性比，同时有着更强的输出功率，和更小的体积。

氮化镓比起硅的优势

但氮化镓器件制备难度极高，也是目前产量较低、价格居高不下的主要原因。

GaN和SiC芯片的产业链与硅芯片类似，主要分为晶圆衬底、外延、设计、制造和封装等环节，而不同于Si和SiC芯片，GaN的外延片通常用的是异质衬底，例如蓝宝石、碳化硅、硅等是氮化镓外延片主流的异质衬底材料。

半导体产业链

为什么要用异质衬底？

从理论上来讲，GaN同质衬底是生长GaN外延层最好的衬底，这样就不存在品格失配热失配问题，生长出来的外延膜质量将大大提高，位错密度也可降到很低，发光效率提高，提高器件工作电流密度。

但由于GaN在常压下无法熔化,高温下分解为Ga和N₂,在其熔点(2300℃)时的分解压高达6GPa，当前的生长装备很难在GaN熔点时承受如此高的压力,因此传统熔体法无法用于GaN单晶的生长。

相对于常规半导体材料, GaN单晶的生长进展缓慢,晶体尺寸小且成本高,当前的GaN基器件主要基于异质衬底(硅、碳化硅、蓝宝石等)制作而成,使得GaN单晶衬底及同质外延器件的发展落后于基于异质外延器件的应用。

生长氮化镓的衬底材料性能比较

不同衬底制备氮化镓外延片的区别

（1）ZnO基GaN

ZnO一度是科研工作者的研究热点，它与GaN的晶体结构相同、禁带宽度相近(3.37eV)以及品格失配小，因而被选作为GaN异质外延的衬底。但是，由于ZnO在GaN外延生长时所处的温度和气氛条件下容易分解以及被腐蚀，这是致命的弱点，极少有相关应用。

（2）蓝宝石基GaN

蓝宝石(α-Al₂O₃)晶体结构与GaN相同，为六方结构。蓝宝石的带隙宽、折射率低(1.7)、化学稳定性好，在1000℃高温也不与氢气发生反应，可用于高温生长，透光、技术成熟。但缺点是与GaN晶格失配和热失配大、不导电、倒装焊工艺复杂、价格昂贵且导热性能差。由于材料生长和器件制造水平的不断提高，有些难题已被克服。

目前蓝宝石作为衬底，生产技术成熟、器件质量、稳定性都较好，能够运用在高温生长过程中，机械强度高，易于处理和清洗，由于衬底性能限制，无法应用到射频和功率领域，广泛应用于LED产业，主流为4英寸。

（3）SiC基GaN

宽带隙的碳化硅与GaN晶格失配较小、导电、热导率高，在目前半导体照明芯片上占有优势，将在一定时间范围内领先其他技术方案。

SiC衬底的缺点是价格昂贵、折射率较大、缺陷密度高、热失配也较大，由于SiC表面容易形成一种稳定的氧化物，阻止其分解和刻蚀，因此 SiC衬底在外延生长前的表面处理非常重要。

目前主流SiC衬底尺寸是4-6英寸，8英寸衬底仅有少数公司掌握制造技术，半导电型SiC衬底以n型衬底为主，主要用于外延GaN基LED等光电子器件、SiC基电力电子器件等，半绝缘型SiC衬底主要用于外延制造GaN高功率射频器件。

（4）Si基GaN

Si是当今微电子技术的基石，它作为GaN材料的衬底有许多优点，如晶体质量高，尺寸大，成本低，易加工，良好的导电性、导热性和热稳定性等。

但与蓝宝石和碳化硅相比，在Si衬底上生长 GaN更为困难，因为这两者之间的热失配和晶格失配很大。热失配大外延生长结束后的降温过程中，外延层将承受很大张应力，由于外延层厚度很薄，会使GaN膜产生龟裂。

这种低适配性导致硅上无法直接长外延层，需要长多道缓冲层来过渡，因此外延层质量水平就比碳化硅基差不少，故而硅基氮化镓只能用来做小功率射频，中小功率器件。

硅的生长速度很快，因此在硅基上外延氮化镓可以有效降低成本，同时可制作大尺寸外延片，目前GaN产品上使用的Si衬底基本是6英寸的，也有部分公司实现8英寸的商用。

（5）GaN基GaN

因为氮化镓材料本身熔点高，而且需要高压环境，很难采用熔融的结晶技术制作GaN衬底，目前主要在Al₂O₃蓝宝石衬底上生长氮化镓厚膜制作GaN基板，然后通过剥离技术实现衬底和氮化镓厚膜的分离，分离后的氮化镓厚膜可作为外延用的衬底。

这种基板以前的主流是2英寸，现在出现了4～6英寸的基板，优点是位错密度明显低，但价格昂贵，因此限制了氮化镓厚膜衬底的应用。

GaN外延片的制备

外延生长（Epitaxy），是指在原有半导体晶片之上生长出新的半导体晶体层的技术。主要用CVD（化学气相沉积）设备，或者MBE（分子束外延）设备实现。

采用外延技术，可以将GaN生长在SiC、Si、蓝宝石等其他材料衬底上，有效的解决GaN衬底材料的限制问题，GaN on SiC和 GaN on Si是未来的主流技术方向。

几种主流衬底制备外延片的应用优势

（1）GaN on Si

GaN on Si外延生长上可采用多层构造防止裂纹：在GaN层与Si基板之间设置AlGaN/GaN多层构造的“形变控制技术”来防止裂纹。

GaN-on-Si未来主要有两条发展路径：

第一是向大功率器件方向发展，通过系统级封装做成模块化产品；

第二是在中低功率领域SoC化，集成更多被动元件、射频驱动等。业界有厂商已经实现了驱动IC和GaN开关管的集成，进一步降低用户的使用门槛。

目前主流的GaN技术厂商都在研发以Si为衬底的GaN的器件，提升外延质量，期望替代昂贵的SiC衬底。

Si衬底制备GaN外延片

（2）GaN on SiC

同样在GaN on SiC上做外延生长需要注意晶格失配和热膨胀不匹配原因造成的裂纹或弯曲，从而影响GaN器件的性能和良率。

目前转移和协调释放SiC基板上制备GaN外延材料失配应力的方法有：应力协变层技术（包括缓冲层、柔性层、插入层等）和图形衬底技术。

GaN on SiC外延，SiC衬底散热性更好，而且与GaN晶格不匹配问题比Si小，限制在于SiC衬底晶圆的尺寸还做不大，目前尚未超过6寸。

SiC衬底制备GaN外延片

总结

得力于5G基站的建设高潮，汽车电子、激光雷达以及消费电子的快速增长，无论是硅基氮化镓在功率领域，或者碳化硅基氮化镓在射频领域的应用，未来都会出现较大增长，这是个极具发展潜力的朝阳产业。而克服异质衬底之间的失配问题导致的性能下降等影响，以及实现大尺寸、低成本、高质量衬底和外延片的制备等，仍旧是需要行业共同跨过的难关。

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参考来源：

氮化镓单晶衬底制备技术发展与展望，姜元希等（桂林电子科技大学信息与通信学院）；

硅衬底GaN光学性能及芯片出光效率的研究，王君君（南昌大学）；

网络文章：第三代半导体行业总览。

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