第三代半导体材料之氮化镓衬底

2英寸高品质氮化镓衬底价格就要好几万人民币，4英寸价格就更是天价了。与碳化硅器件必须同质外延不一样，氮化镓器件可以有异质外延路径，故此氮化镓单晶或衬底技术一直没有在产业的催逼下快速突破，虽有进展，但总是有老牛拉车缓慢前进之嫌，故价格一直体现“贵族气息”，让人望而却步。因此近几年第三代半导体红红火火，氮化镓赛道也风口浪尖，不过终端应用基本都不是氮化镓衬底制备的器件，因此氮化镓衬底项目虽也借势而起，但实则一直没有很好的商业转化。全球氮化镓衬底技术共13000多件专利，其中日本占比接近60%，可见日本在该领域遥遥领先，一枝独秀。国外主要玩家有日本住友、古河电气和Kyma，国内有苏州纳维、东莞中镓和上海镓特。日本住友2003年就在全球率先量产氮化镓衬底，侧重HVPE法，重点解决衬底缺陷、尺寸等难题。氮化镓衬底目前以2-3英寸为主，4英寸已经实现商用，6英寸样本也已开发。

氮化镓异质外延基本都是走的横向器件路线，其在电压，尤其是电流等级提升上都会有瓶颈，故此氮化镓想要在中高功率的工业或车规应用中渗透，自然就必须转向纵向或垂直结构器件，那此时氮化镓衬底的必要性和优越性就显露无疑了，目前最核心的问题就是贵。因此开发低成本的氮化镓长晶技术就迫在眉睫了。

因常压下氮化镓没有液态，无法使用常规主流经济的熔体法生长氮化镓单晶。目前生长氮化镓单晶的主要方法有气相法和液相法，气相法主要是氢化物气相外延法 ( HVPE)：Ga源与 HCl气体反应生成 GaCl3，再与 NH3 反应在蓝宝石衬底上生成氮化镓；液相法是在液态N源溶质溶解在液态Ga源溶剂（或者Ga源溶质溶解在液态N源溶剂）中通过溶质的过饱和在同质籽晶上生长氮化镓。液相法有高压高温溶液法和助溶剂法，高压高温溶液法是通过增加温度(1600-2000 K)和压力(15-20 kbar)提高 N2 在液体 Ga 中的溶解度。助溶剂法是在不提高温度和压力的情况下增加一定的助溶剂来提高相应溶质溶解度的方法，常见的有Na助溶剂法，溶质是N2，溶剂是Ga ，助溶剂是Na；氨热法本质上也是一种助溶剂法，溶质是Ga，溶剂是NH3 ，助溶剂是矿化剂（有酸性和碱性两种）。热门且较成熟的生长技术为HVPE法，助溶剂法研究晚于HVPE法，近10年来也在持续发展。HVPE 方法生长速率快、易得到大尺寸晶体，是目前商业上提供氮化镓单晶衬底的主要方法;其缺点是成本高、晶体位错密度高、曲率半径小、以及会造成环境污染。氨热法生长技术与水热生长技术类似，结晶质量高，可以在多个籽晶上生长，易规模化生产，可以显著降低成本;其缺点是生长压力较高，生长速率低。Na助熔剂法生长条件相对温和，对生长装备要求低，可以生长出大尺寸的氮化镓单晶;其缺点是易于自发成核形成多晶，难以生长出较厚的氮化镓晶体。近年来，液相法技术进展较快，使得氮化镓晶体质量逐步提高，成本逐渐下降，所生长氮化镓位错密度比HVPE低2-3个数量级，晶体尺寸也达到4-6英寸，在产品竞争力上有超越 HVPE 技术的潜力。近期，日本又发明了氧气相外延技术（OVPE）生长氮化镓晶体，氧化镓颗粒气化后，在籽晶上与氨反应生成氮化镓，同时生成水和氢副产品。与现有的HPVE相比，OVPE可以在更高的温度生长，有望实现更快的长晶速度（1mm/h）和更高的长晶质量。因此气相法和液相法都在各自的赛道上不断创新突破，彼此超越，难分胜负。或许利用各生长方法优势互补才是氮化镓单晶质量、成本及规模量产的有效方案。如，HVPE以助溶剂生长的极低位错大尺寸氮化镓为籽晶，可快速突破位错密度高的瓶颈；氨热法以HVPE生长的大尺寸氮化镓为籽晶，可突破籽晶尺寸小、无量产籽晶的障碍。最近国际上各生长方法的研究团队加强合作，已初见成效。相信随着大家深入的研究和广泛的合作，低成本高质量大尺寸氮化镓单晶的量产很快会实现。