氮化鎵(GaN)作為第三代寬禁帶半導體核心材料之一，具有高擊穿場強、高飽和電子漂移速率、抗輻射能力強和良好的化學穩定性等優良特性，是制作寬波譜、高功率、高效率光電子、電力電子和微電子的理想材料。

目前氮化鎵一個非常熱門的應用就是取代硅芯片用于手機快充，氮化鎵功率器件是普通硅基的數十倍功率特性比，同時有著更強的輸出功率，和更小的體積。

氮化鎵比起硅的優勢

但氮化鎵器件制備難度極高，也是目前產量較低、價格居高不下的主要原因。

GaN和SiC芯片的產業鏈與硅芯片類似，主要分為晶圓襯底、外延、設計、制造和封裝等環節，而不同于Si和SiC芯片，GaN的外延片通常用的是異質襯底，例如藍寶石、碳化硅、硅等是氮化鎵外延片主流的異質襯底材料。

半導體產業鏈

為什么要用異質襯底？

從理論上來講，GaN同質襯底是生長GaN外延層最好的襯底，這樣就不存在品格失配熱失配問題，生長出來的外延膜質量將大大提高，位錯密度也可降到很低，發光效率提高，提高器件工作電流密度。

但由于GaN在常壓下無法熔化,高溫下分解為Ga和N₂,在其熔點(2300℃)時的分解壓高達6GPa，當前的生長裝備很難在GaN熔點時承受如此高的壓力,因此傳統熔體法無法用于GaN單晶的生長。

相對于常規半導體材料, GaN單晶的生長進展緩慢,晶體尺寸小且成本高,當前的GaN基器件主要基于異質襯底(硅、碳化硅、藍寶石等)制作而成,使得GaN單晶襯底及同質外延器件的發展落后于基于異質外延器件的應用。

生長氮化鎵的襯底材料性能比較

不同襯底制備氮化鎵外延片的區別

（1）ZnO基GaN

ZnO一度是科研工作者的研究熱點，它與GaN的晶體結構相同、禁帶寬度相近(3.37eV)以及品格失配小，因而被選作為GaN異質外延的襯底。但是，由于ZnO在GaN外延生長時所處的溫度和氣氛條件下容易分解以及被腐蝕，這是致命的弱點，極少有相關應用。

（2）藍寶石基GaN

藍寶石(α-Al₂O₃)晶體結構與GaN相同，為六方結構。藍寶石的帶隙寬、折射率低(1.7)、化學穩定性好，在1000℃高溫也不與氫氣發生反應，可用于高溫生長，透光、技術成熟。但缺點是與GaN晶格失配和熱失配大、不導電、倒裝焊工藝復雜、價格昂貴且導熱性能差。由于材料生長和器件制造水平的不斷提高，有些難題已被克服。

目前藍寶石作為襯底，生產技術成熟、器件質量、穩定性都較好，能夠運用在高溫生長過程中，機械強度高，易于處理和清洗，由于襯底性能限制，無法應用到射頻和功率領域，廣泛應用于LED產業，主流為4英寸。

（3）SiC基GaN

寬帶隙的碳化硅與GaN晶格失配較小、導電、熱導率高，在目前半導體照明芯片上占有優勢，將在一定時間范圍內領先其他技術方案。

SiC襯底的缺點是價格昂貴、折射率較大、缺陷密度高、熱失配也較大，由于SiC表面容易形成一種穩定的氧化物，阻止其分解和刻蝕，因此 SiC襯底在外延生長前的表面處理非常重要。

目前主流SiC襯底尺寸是4-6英寸，8英寸襯底僅有少數公司掌握制造技術，半導電型SiC襯底以n型襯底為主，主要用于外延GaN基LED等光電子器件、SiC基電力電子器件等，半絕緣型SiC襯底主要用于外延制造GaN高功率射頻器件。

（4）Si基GaN

Si是當今微電子技術的基石，它作為GaN材料的襯底有許多優點，如晶體質量高，尺寸大，成本低，易加工，良好的導電性、導熱性和熱穩定性等。

但與藍寶石和碳化硅相比，在Si襯底上生長 GaN更為困難，因為這兩者之間的熱失配和晶格失配很大。熱失配大外延生長結束后的降溫過程中，外延層將承受很大張應力，由于外延層厚度很薄，會使GaN膜產生龜裂。

這種低適配性導致硅上無法直接長外延層，需要長多道緩沖層來過渡，因此外延層質量水平就比碳化硅基差不少，故而硅基氮化鎵只能用來做小功率射頻，中小功率器件。

硅的生長速度很快，因此在硅基上外延氮化鎵可以有效降低成本，同時可制作大尺寸外延片，目前GaN產品上使用的Si襯底基本是6英寸的，也有部分公司實現8英寸的商用。

（5）GaN基GaN

因為氮化鎵材料本身熔點高，而且需要高壓環境，很難采用熔融的結晶技術制作GaN襯底，目前主要在Al₂O₃藍寶石襯底上生長氮化鎵厚膜制作GaN基板，然后通過剝離技術實現襯底和氮化鎵厚膜的分離，分離后的氮化鎵厚膜可作為外延用的襯底。

這種基板以前的主流是2英寸，現在出現了4～6英寸的基板，優點是位錯密度明顯低，但價格昂貴，因此限制了氮化鎵厚膜襯底的應用。

GaN外延片的制備

外延生長（Epitaxy），是指在原有半導體晶片之上生長出新的半導體晶體層的技術。主要用CVD（化學氣相沉積）設備，或者MBE（分子束外延）設備實現。

采用外延技術，可以將GaN生長在SiC、Si、藍寶石等其他材料襯底上，有效的解決GaN襯底材料的限制問題，GaN on SiC和 GaN on Si是未來的主流技術方向。

幾種主流襯底制備外延片的應用優勢

（1）GaN on Si

GaN on Si外延生長上可采用多層構造防止裂紋：在GaN層與Si基板之間設置AlGaN/GaN多層構造的“形變控制技術”來防止裂紋。

GaN-on-Si未來主要有兩條發展路徑：

第一是向大功率器件方向發展，通過系統級封裝做成模塊化產品；

第二是在中低功率領域SoC化，集成更多被動元件、射頻驅動等。業界有廠商已經實現了驅動IC和GaN開關管的集成，進一步降低用戶的使用門檻。

目前主流的GaN技術廠商都在研發以Si為襯底的GaN的器件，提升外延質量，期望替代昂貴的SiC襯底。

Si襯底制備GaN外延片

（2）GaN on SiC

同樣在GaN on SiC上做外延生長需要注意晶格失配和熱膨脹不匹配原因造成的裂紋或彎曲，從而影響GaN器件的性能和良率。

目前轉移和協調釋放SiC基板上制備GaN外延材料失配應力的方法有：應力協變層技術（包括緩沖層、柔性層、插入層等）和圖形襯底技術。

GaN on SiC外延，SiC襯底散熱性更好，而且與GaN晶格不匹配問題比Si小，限制在于SiC襯底晶圓的尺寸還做不大，目前尚未超過6寸。

SiC襯底制備GaN外延片

總結

得力于5G基站的建設高潮，汽車電子、激光雷達以及消費電子的快速增長，無論是硅基氮化鎵在功率領域，或者碳化硅基氮化鎵在射頻領域的應用，未來都會出現較大增長，這是個極具發展潛力的朝陽產業。而克服異質襯底之間的失配問題導致的性能下降等影響，以及實現大尺寸、低成本、高質量襯底和外延片的制備等，仍舊是需要行業共同跨過的難關。

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參考來源：

氮化鎵單晶襯底制備技術發展與展望，姜元希等（桂林電子科技大學信息與通信學院）；

硅襯底GaN光學性能及芯片出光效率的研究，王君君（南昌大學）；

網絡文章：第三代半導體行業總覽。

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