山东大学张雷：蓝宝石图形-多孔薄膜复合衬底生长GaN单晶研究

原文DOI：10.15541/jim20250481

引用本文：

SHAO H H, LI Q B, WANG S Z, et al. Research on Growth of GaN Single Crystals on Sapphire Patterned-porous Thin Film Composite Substrate. J. Inorg. Mater., DOI: 10.15541/jim20250481.

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本研究用金属有机化学气相沉积法首先在蓝宝石图案化衬底上生长氮化镓薄膜，然后湿法腐蚀氮化镓薄膜，制备出蓝宝石图形-多孔薄膜复合衬底，接着在其上生长氮化镓单晶，自剥离得到氮化镓体块单晶。同时阐述了蓝宝石图形-多孔薄膜复合衬底上生长GaN单晶的生长机制，为生长提高自剥离GaN单晶质量提供了新的思路。

研究背景

氮化镓(GaN)及其合金材料由于具有宽直接带隙、高载流子迁移率、高击穿电压、化学性质稳定等特点，在半导体发光二极管、激光二极管、光电探测器、高频高功率微波器件等方面都具有非常广阔的应用前景。由于GaN与异质衬底之间存在较大的晶格失配和热失配，会在GaN外延层中引入高密度的失配位错而降低器件的性能与寿命。解决这一问题最根本的方法就是在GaN同质衬底上进行外延生长。

本文亮点

1.由于蓝宝石图案化多孔结构的影响，在氮化镓薄膜生长过程中应力得到显著释放，从而减少了缺陷。

2.通过将氮化镓薄膜制备成多孔结构并在此基础上生长出体单晶，解决了在均匀衬底上外延生长时的晶格匹配问题。

图文导读

蓝宝石图形-多孔薄膜复合衬底生长氮化镓单晶研究取得新进展。HVPE法生长GaN单晶后，蓝宝石图形衬底上的多孔结构被填充，但是放大观察仍然有空隙，说明蓝宝石图形-多孔薄膜复合衬底在生长GaN过程中，多孔结构与生长中Ga原子，N原子重新结合，原来的缺陷被破坏，可能阻止了原来的缺陷进一步延伸，进而提高了GaN单晶的晶体质量。

图1 蓝宝石图案多孔薄膜复合基底上生长的氮化镓晶体横截面的SEM照片

蓝宝石图形-多孔薄膜复合衬底生长氮化镓单晶位错密度降低取得新的进展，黑点的密度从8.0×106 cm–2降低至2.3×106 cm–2，黑点与位错的非辐射载流子复合有关。因此黑点的密度接近GaN单晶中位错的密度。研究证明了在蓝宝石图形-多孔薄膜复合衬底上生长的GaN单晶的晶体质量得到了提高，研究方法可有效减少缺陷。

图2 不同基底上生长的氮化镓单晶的CL光谱

总结与展望

本研究证明了在蓝宝石图形多孔薄膜复合基底上生长氮化镓单晶是可行的，蓝宝石图形-多孔薄膜复合基底进一步降低了氮化镓生长过程中的位错密度和应力，在提高氮化镓晶体的质量方面发挥了重要作用。本工作对于高质量氮化镓晶体的生长具有重要的参考价值。

作者简介

通讯作者：张雷，研究员，博士生导师，山东省泰山学者青年专家。2016–2018年期间在德国亥姆霍兹于利希研究中心从事访问学者研究。主要从事氮化物(氮化镓、氮化铝)宽禁带半导体晶体材料的生长及性能研究工作。目前担任氮化物半导体晶体研究方向负责人(PI)。主持和参加了国家重点研发计划、863、国家自然科学基金、德国亥姆霍兹国家实验室资助、山东省重点研发计划等10余项国家及省部级项目。在Adv. Mater., Adv. Sci., J. Mater. Chem. A, Cryst. Growth Des.等期刊发表SCI论文70余篇，发表的文章被Nature Materials期刊作为研究亮点(Research Highlights)进行了报道。获授权发明专利20余项，其中4项实现了成果转化。2016年获中国建筑材料科学技术基础研究类二等奖。目前担任国际期刊Scientific Reports编委和Materials期刊客座编辑。

第一作者：邵慧慧，在读博士，硕士毕业于山东大学晶体材料研究院，主要研究领域及方向为大尺寸高质量氮化镓单晶衬底的制备、生长及性能研究工作。参与山东省自然科学基金等项目。2025年参与的大尺寸高质量氮化镓单晶衬底获得山东省集成电路行业协会科学技术发明二等奖。

来源：JIM无机材料学报

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