[00318129]采用氢化物气相外延（HVPE）技术制备 GaN 衬底

成果简介

随着技术发展，对于大功率白光 LED 而言，发光效率的提高一直是个瓶颈。针对 GaN 基器件，由于同质 GaN 衬底价格昂贵，因此一直没有被普遍应用到 GaN 基材料生长领域。目前一般采用在异质衬底上生长 GaN 基材料，国内外一般采用蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底等等。这导致 GaN 基材料与异质衬底之间的热膨胀系数、晶格系数的不匹配，从而 GaN 基材料中缺陷密度很高，一般在 105～ 108/cm2 量级。高密度的缺陷直接导致光电器件发光效率降低、寿命减少。因此采用 GaN 衬底，一直是国内外关注的焦点问题。本项目采用 HVPE 技术，生长 GaN 衬底材料。该技术特点是生长速度快,晶体质量高。HVPE 技术是把 GaN 晶体直接生长在具有特定图形的蓝宝石衬底上，当 GaN 晶体生长到一定厚度（mm 量级），在降温过程，利用 GaN 材料与蓝宝石衬底材料的热膨胀系数的差异，使得 GaN 晶体从蓝宝石剥离下来，实现高质量的 GaN 衬底。在 GaN 衬底上生长 LED 可大大提高出光效率，增加寿命。同时在 GaN 同质衬底上可实现 GaN 基材料的激光器

（LD），广泛应用到高密度数据存储，高分辨率大屏幕显示、投影仪等领域。另外在 GaN 衬底上也可实现高性能的电子学器件，例如大功率电开关、FET 等。

成熟程度和所需建设条件

本项目先后成功应用于 GaN 衬底芯片企业，结果表明 GaN 晶体质量高，在随后的 MOCVD 生长 LED、LD 过程中，大大降低缺陷密度，提高出光效率。HVPE 技术需要在超净间中运行，保证恒定的温度、湿度。所需要的是 HVPE 设备，以及材料生长过程中的特种气体源、金属 Ga 源。需要有晶体材料的切、磨、抛工艺。目前该技术已在高新技术企业实现，并取得很大的经济效益和广泛的社会效益。

技术指标

（1）HVPE 晶体生长速度：10～200μm/h；

（2）GaN 衬底： 300～400μm@2 英寸；

（3） XRD 的 002 对称衍射峰半宽低于 120arc sec,102 衍射峰低于 150arc sec；

（4） 晶体内部无裂纹，表面光亮平整，可直接用于 MOCVD 的材料生长。

市场分析和应用前景

GaN 体系材料应用前景很广阔，市场预测 2020 年将大于 350 亿美元，因此相应的 GaN 衬底需求也相对很大。虽然目前蓝宝石是生长 GaN 材料的主要衬底， 但是基于未来的发展，GaN 同质衬底是最终的方法和最根本的途径。图一是 2014 年获得诺贝尔物理学奖的中村修二所做的报告，他强调未来 LED 的发展必将是以GaN 衬底为基础的器件。

图 1 诺贝尔奖获得者对于 GaN 衬底应用的报告

社会经济效益分析

项目实施以来，生长出高质量的 GaN 衬底，晶体无裂纹，透明。在随后采用MOCVD 技术生长 LED、LD 等器件，由于大大降低 GaN 基材料内部的缺陷密度，从而提高了出光功率，提高器件寿命。可以说，对于庞大的 LED 产业，GaN 衬底同样具有非常好的社会和经济效益。

合作方式

合作开发、受托开发、技术转让