?氮化鎵（GaN）晶體作為第三代寬禁帶半導體的代表性材料，具有帶隙寬、擊穿電壓高、熱導率高、抗輻射能力強等優異性能，在藍綠激光器、有源相控陣雷達、電力電子器件等領域具有重要應用。HVPE方法因其生長條件溫和、生長速度快、生長尺寸大、摻雜可控等優點，是目前商業制備大尺寸GaN單晶襯底的主流方法。然而異質襯底因晶格失配和熱膨脹系數差異引發的應力集中和位錯延伸等難題，始終是制約GaN器件可靠性的瓶頸，直接影響器件的工作壽命。
山東大學與山東晶鎵半導體有限公司在4英寸高質量GaN單晶襯底制備方面取得了重大突破。在《人工晶體學報》2025年54卷第3期發表了題為《4英寸高質量GaN單晶襯底制備》的論文（第一作者：齊占國；通訊作者：王守志，張雷）。該論文利用獨特的多孔襯底技術成功制備4英寸高質量GaN單晶襯底，其位錯密度低至~9.6×105?cm-2。4英寸GaN襯底技術突破及規模化生產對GaN基器件（如藍綠激光器與功率電子器件）的發展具有重要意義。
本文采用垂直HVPE反應系統，以直徑120 mm的藍寶石基GaN多孔襯底作為籽晶進行GaN晶體生長。通過精準調控氣相V/III比，在生長過程中形成具有位錯阻隔功能的孔洞，該結構同時為后續降溫過程中的晶片自剝離提供弱界面連接，有效緩解熱應力積累。針對生長的GaN晶體（圖1a），采用激光切割技術去除邊緣微裂紋及缺陷區，經退火、研磨、拋光處理，獲得無損傷、表面光滑的的4英寸GaN單晶襯底（圖1b）。陰極熒光測試結果顯示晶體的位錯密度低至9.6×105?cm-2（圖1c）；原子力顯微鏡（圖1f）測試襯底表面形貌粗糙度達到原子級（Ra<0.2 nm），滿足器件外延生長需求；高分辨X射線衍射儀（HRXRD）和拉曼測試表明該襯底的結晶質量高、殘應力小且分布均勻，這有利于后續器件外延層質量的提升，進一步降低GaN基器件性能衰減（圖1d-1e）。
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圖1.?HVPE生長后大于4英寸原生GaN單晶照片(a)；加工后的4英寸GaN單晶襯底照片(b)；CL圖像(c)；拉曼圖譜 (d)；(002)面高分辨XRD搖擺曲線(e)；AFM圖像(f).
本文結合多孔襯底技術和應力調控策略成功獲得了低應力、高質量的4英寸GaN單晶襯底。該4英寸GaN襯底在尺寸、晶體質量（FWHM平均值為57.91″，位錯密度為~9.6×105?cm-2）、應力均一性和表面質量方面（無損傷、Ra<0.2 nm）均表現優異，達到國際先進水平，為高功率、高頻器件的批量制備奠定了基礎。?
通訊作者簡介
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張雷，山東大學晶體材料全國重點實驗室、新一代半導體材料研究院，?教授，博士生導師，《人工晶體學報》青年編委，山東省泰山學者青年專家，山東晶鎵半導體有限公司，董事長。主要從事寬禁帶氮化物半導體（GaN、AlN）晶體生長及性能研究工作，氮化物半導體晶體研究方向負責人，先后主持了中央高校科技領軍人才團隊項目、國家自然科學基金等國家及省部級項目20余項，在Adv. Mater.等期刊發表SCI論文80余篇，獲授權發明專利30余項，其中4項實現了成果轉化。
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王守志，山東大學晶體材料全國重點實驗室、新一代半導體材料研究院?教授，博士生導師；山東晶鎵半導體有限公司，總經理。長期從事氮化鎵半導體材料與器件的研究工作，先后主持國家自然科學基金等國家及省部級項目10余項，發表SCI論文60余篇，申請/授權發明專利30余項。?
山東大學新一代半導體材料研究院、晶體材料國家重點實驗室GaN研究團隊從2008年開始GaN單晶制備的研究工作，2021年開始研發4英寸GaN單晶生長設備、生長關鍵技術和襯底加工技術，經過理論和技術攻關，突破了4英寸自支撐GaN單晶襯底的制備關鍵技術，為GaN器件向大尺寸、高可靠性方向推進提供了關鍵材料基礎。??
山東晶鎵半導體科技有限公司成立于2023年8月，主要從事氮化鎵（GaN）自支撐單晶襯底的研發、生產和銷售，公司依托山東大學研發的最新GaN單晶生長與襯底加工技術成果，同山東大學開展全方位產學研合作交流，是國際上少數具有完全自主知識產權GaN單晶襯底生長和加工的生產制造廠家。產品應用于藍綠光激光器、高性能mini/micro-LED及射頻器件等領域。
（來源：人工晶體學報）