新型衬底上高质量GaN单晶的HVPE生长及自剥离研究

GaN wide band gap semiconductor material is the core of saving energy industry, sophisticated military and space electronic devices. Based on its importance to national economy and national defense construction, the study on GaN crystal materials has become the forefront and the hot spot of the global research. However, there are a high dislocation density and a large stress in hetero-epitaxial GaN, which has a great influence on the performance of devices and become the bottleneck of applications. Therefore, choosing the appropriate seed which can be used to effectively reduce stress and dislocation density is the key. The GaN crystals grown on novel bonding-thinned substrate, SiC substrate and high temperature annealing porous substrate are main research object. We will systematically studied the nucleation mechanisms, interface growth process, stress reduction, dislocation blocking and self-separation mechanisms of GaN crystal growth. In order to obtain the high quality, 2 inch and self-separation GaN crystals, we will further optimize the growth process. The implementation of this project is helpful to overcome the GaN crystal growth technology. It also has important application value for exploring the low cost, high reliability and easy to industrialization GaN crystal growth technology.

GaN宽禁带半导体材料是节能产业、尖端军事和空间用电子器件的核心材料，基于其对国民经济和国防建设的重要意义，GaN晶体材料的研究和应用成为了目前全球半导体研究的前沿和热点。但异质外延生长的GaN晶体具有较高的位错密度和较大应力，对光电器件的性能影响很大，成为制约其应用的主要瓶颈。因此选择能有效降低外延GaN晶体应力和位错密度的籽晶是生长高质量GaN晶体的关键。本项目拟采用新型减薄-金属键合衬底、晶格失配和热失配更小的SiC籽晶、高温多孔衬底进行GaN单晶生长，系统研究不同衬底上GaN晶体的成核机制、界面生长过程、应力减小和位错阻断机制以及衬底分离机制等问题，优化生长工艺，以期生长出高质量、2英寸自支撑GaN晶体。本项目的实施为攻克GaN晶体生长关键技术，探索具有低成本、高可靠性，易产业化的GaN晶体生长技术具有重要应用价值。

GaN宽禁带半导体材料是节能产业、尖端军事和空间用电子器件的核心材料，基于其对国民经济和国防建设的重要意义，GaN晶体材料的研究和应用成为了目前全球半导体研究的前沿和热点。但异质外延生长的GaN晶体具有较高的位错密度和较大应力，对光电器件的性能影响很大，成为制约其应用的主要瓶颈。因此设计能够有效降低外延GaN晶体应力和位错密度的新型衬底是生长高质量GaN晶体的关键。通过本项目研究，设计了两步腐蚀衬底、二维阻断衬底、高温退火多孔衬底、低温缓冲衬底、C面SiC衬底等多种新型缓冲衬底用于GaN单晶的异质外延生长，成功的降低了单晶中的位错密度和残余应力，掌握了控制单晶缺陷和应力的新手段，研究并阐明了新型衬底上GaN单晶的生长规律和缺陷、应力控制机理。这为生长高质量GaN单晶起到关键作用，为高性能半导体器件提供了重要的衬底基础。同时这些方法具有便于大规模制备的特点，具有应用潜力。相关研究成果发表SCI收录论文16篇，获得授权国家发明专利4项，有关GaN单晶生长的相关发明专利技术以独占许可方式于2018年实现成果转化以及产业化，转让经费2000万元，目前产业化进展顺利。通过指导研究生参与本项目的研究工作，培养了一批在GaN单晶材料领域能够解决科学和技术问题的高水平人才。