氮化镓（GaN）晶体作为第三代宽禁带半导体的代表性材料，具有带隙宽、击穿电压高、热导率高、抗辐射能力强等优异性能，在蓝绿激光器、有源相控阵雷达、电力电子器件等领域具有重要应用。HVPE方法因其生长条件温和、生长速度快、生长尺寸大、掺杂可控等优点，是目前商业制备大尺寸GaN单晶衬底的主流方法。然而异质衬底因晶格失配和热膨胀系数差异引发的应力集中和位错延伸等难题，始终是制约GaN器件可靠性的瓶颈，直接影响器件的工作寿命。
山东大学与山东晶镓半导体有限公司在4英寸高质量GaN单晶衬底制备方面取得了重大突破。在《人工晶体学报》2025年54卷第3期发表了题为《4英寸高质量GaN单晶衬底制备》的论文（第一作者：齐占国；通讯作者：王守志，张雷）。该论文利用独特的多孔衬底技术成功制备4英寸高质量GaN单晶衬底，其位错密度低至~9.6×105 cm-2。4英寸GaN衬底技术突破及规模化生产对GaN基器件（如蓝绿激光器与功率电子器件）的发展具有重要意义。
本文采用垂直HVPE反应系统，以直径120 mm的蓝宝石基GaN多孔衬底作为籽晶进行GaN晶体生长。通过精准调控气相V/III比，在生长过程中形成具有位错阻隔功能的孔洞，该结构同时为后续降温过程中的晶片自剥离提供弱界面连接，有效缓解热应力积累。针对生长的GaN晶体（图1a），采用激光切割技术去除边缘微裂纹及缺陷区，经退火、研磨、抛光处理，获得无损伤、表面光滑的的4英寸GaN单晶衬底（图1b）。阴极荧光测试结果显示晶体的位错密度低至9.6×105 cm-2（图1c）；原子力显微镜（图1f）测试衬底表面形貌粗糙度达到原子级（Ra<0.2 nm），满足器件外延生长需求；高分辨X射线衍射仪（HRXRD）和拉曼测试表明该衬底的结晶质量高、残应力小且分布均匀，这有利于后续器件外延层质量的提升，进一步降低GaN基器件性能衰减（图1d-1e）。
图1. HVPE生长后大于4英寸原生GaN单晶照片(a)；加工后的4英寸GaN单晶衬底照片(b)；CL图像(c)；拉曼图谱 (d)；(002)面高分辨XRD摇摆曲线(e)；AFM图像(f).
本文结合多孔衬底技术和应力调控策略成功获得了低应力、高质量的4英寸GaN单晶衬底。该4英寸GaN衬底在尺寸、晶体质量（FWHM平均值为57.91″，位错密度为~9.6×105 cm-2）、应力均一性和表面质量方面（无损伤、Ra<0.2 nm）均表现优异，达到国际先进水平，为高功率、高频器件的批量制备奠定了基础。
通讯作者简介
张雷，山东大学晶体材料全国重点实验室、新一代半导体材料研究院， 教授，博士生导师，《人工晶体学报》青年编委，山东省泰山学者青年专家，山东晶镓半导体有限公司，董事长。主要从事宽禁带氮化物半导体（GaN、AlN）晶体生长及性能研究工作，氮化物半导体晶体研究方向负责人，先后主持了中央高校科技领军人才团队项目、国家自然科学基金等国家及省部级项目20余项，在Adv. Mater.等期刊发表SCI论文80余篇，获授权发明专利30余项，其中4项实现了成果转化。
王守志，山东大学晶体材料全国重点实验室、新一代半导体材料研究院 教授，博士生导师；山东晶镓半导体有限公司，总经理。长期从事氮化镓半导体材料与器件的研究工作，先后主持国家自然科学基金等国家及省部级项目10余项，发表SCI论文60余篇，申请/授权发明专利30余项。
山东大学新一代半导体材料研究院、晶体材料国家重点实验室GaN研究团队从2008年开始GaN单晶制备的研究工作，2021年开始研发4英寸GaN单晶生长设备、生长关键技术和衬底加工技术，经过理论和技术攻关，突破了4英寸自支撑GaN单晶衬底的制备关键技术，为GaN器件向大尺寸、高可靠性方向推进提供了关键材料基础。
山东晶镓半导体科技有限公司成立于2023年8月，主要从事氮化镓（GaN）自支撑单晶衬底的研发、生产和销售，公司依托山东大学研发的最新GaN单晶生长与衬底加工技术成果，同山东大学开展全方位产学研合作交流，是国际上少数具有完全自主知识产权GaN单晶衬底生长和加工的生产制造厂家。产品应用于蓝绿光激光器、高性能mini/micro-LED及射频器件等领域。
（来源：人工晶体学报）