前言
相比于第一代，第二代半导体材料，氮化镓（GaN）具有较宽的禁带宽度、较低的介电常数、较高的临界场强，较高的迁移率，同时具有高热导率、耐高温、抗辐射的优良特性。因上述优良材料特性，GaN 是制作宽波谱、高功率、高效率光电子、电力电子和微电子的理想材料，GaN 在快速充电器、晶体管、射频微波器件等方面表现出巨大的潜力。其外延片主要用于制造电子元件，如晶体管、集成电路、光电子器件等。它可以提高电子元件的性能和可靠性，并延长元件的使用寿命。
表1:几种重要半导体材料的性能参数（数据来源：ACT化合物半导体）
图1:GaN下游应用介绍（来源：晶湛半导体、中国半导体行业协会、世界半导体贸易统计组织）
GaN外延现状
从理论上来讲，GaN同质衬底是生长GaN外延层最好的衬底，这样就不存在品格失配热失配问题，将由于材料之间性质差异所引起的应力降到最低，外延膜质量将大大提高，位错密度也可降到很低，发光效率提高，提高器件工作电流密度。
但由于GaN在常压下无法熔化，高温下分解为Ga和N2，在其熔点(2300℃)时的分解压高达6GPa，当前的生长装备很难在GaN熔点时承受如此高的压力，因此传统熔体法无法用于GaN单晶的生长，只能选择在其他衬底上进行异质外延生长，常见的异质衬底材料包括Si、SiC、蓝宝石等。[1]
GaN外延片种类及难点
表2：不同工艺的GaN器件性能对比（数据来源：六方半导体）
GaN on GaN
因为GaN材料本身熔点高，而且需要高压环境，很难采用熔融的结晶技术制作GaN衬底，目前主要在Al2O3蓝宝石衬底上生长GaN厚膜制作GaN基板，然后通过剥离技术实现衬底和GaN厚膜的分离，分离后的GaN厚膜可作为外延用的衬底。
这种基板以前的主流是2英寸，现在出现了4～6英寸的基板，优点是位错密度明显低，但价格昂贵，因此限制了GaN厚膜衬底的应用。
GaN on Al2O3
蓝宝石(α-Al2O3)又称刚玉，其晶体结构与GaN相同，为六方结构。蓝宝石的带隙宽、折射率低(1.7)、化学稳定性好，在1000℃高温也不与氢气发生反应，可用于高温生长，透光、技术成熟。但蓝宝石也存在明显缺点：
（1）由于蓝宝石与GaN的晶格失配较大，导致外延层和衬底界面处的缺陷密度非常高[2]；
（2）蓝宝石的热膨胀系数大于GaN，因此在从沉积温度降低至室温的过程中外延层内将产生双轴压缩应力。对于膜厚较厚的外延膜，该应力可能导致薄膜甚至衬底开裂；
（3）与其他衬底相比，蓝宝石衬底热导率较低，散热性能较差；
（4）蓝宝石衬底由于导电性较差，对其与其他半导体器件的集成和应用不利。
在蓝宝石衬底上生长GaN外延前，通常需经过严格的清洗处理衬底表面，以除去污染物、残留的抛光损伤等，并产生台阶和台阶表面结构，然后对衬底表面进行氮化以改变外延层的润湿特性，最后还需要在衬底表面沉积一层薄的AlN缓冲层，并经过低温退火，以为最终的外延生长做准备。
随着更多GaN器件如激光器或其他高密度功率器件等新型应用的发展，蓝宝石衬底的固有缺陷，对其应用的限制日益凸显，此外随着SiC衬底生长技术的发展、成本降低和Si衬底上GaN外延技术的发展成熟，对蓝宝石衬底基础上生长GaN外延层的更多研究已逐渐呈现出降温趋势。
GaN on Si
Si是当今微电子技术的基石，它作为GaN材料的衬底有许多优点，如晶体质量高，尺寸大，成本低，易加工，良好的导电性、导热性和热稳定性等。
但与蓝宝石和碳化硅相比，在Si衬底上生长GaN更为困难，因为这两者之间的热失配和晶格失配很大。热失配大外延生长结束后的降温过程中，外延层将承受很大张应力，由于外延层厚度很薄，会使GaN膜产生龟裂。
这种低适配性导致硅上无法直接长外延层，科研层尝试在Si衬底上引入AlAs、GaAs、AlN、GaN、ZnO、SiC等材料作为缓冲层，和利用图形化衬底技术等外延技术改善外延层质量。
综合来说，Si基外延层质量水平就比SiC基差不少，故而Si基GaN只能用来做小功率射频，中小功率器件。晶圆尺寸层面，硅的生长速度很快，在Si基上外延GaN可以有效降低成本，同时可制作大尺寸外延片，目前GaN产品上使用的Si衬底基本是6英寸的，也有部分公司实现8英寸的商用。
GaN on SiC
与蓝宝石相比，SiC衬底与GaN外延层晶格失配程度较小，热导率更高等，此外，SiC衬底的导电性也使得可以在衬底背面制作电气接触，有助于简化器件结构。这些优点的存在吸引着越来越多的研究人员投入SiC衬底表面GaN外延的工作。
直接在SiC衬底避免生长GaN外延层工作同样面对一些列不利方面，其中主要有：
（1）SiC衬底远高于蓝宝石衬底的表面粗糙度，SiC衬底硬度高，加工性能差，这种粗糙度和残留的抛光损伤也是GaN外延层中缺陷的来源之一；
（2）SiC衬底螺位错密度高，螺位错可能传播到GaN外延层并降低器件性能
（3）SiC衬底的热膨胀系数小于AlN和GaN，使外延层和衬底间在降温过程中产生热应力集聚；
因此SiC衬底在外延生长前的表面，引入更高质量的AlN外延薄膜作为缓冲层是常见的解决方案。[3]
目前主流SiC衬底尺寸是4-6英寸，8英寸衬底仅有少数公司掌握制造技术。
GaN外延常用方法
MOCVD（金属有机物气相沉积法）
MOCVD是在气相外延生长的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术。在采用MOCVD法制备GaN单晶的传统工艺中，通常以三甲基镓作为镓源，氨气作为氮源，以Si作为衬底，并用氢气和氮气的混合气体作为载气，将反应物载入反应腔内，加热到一定温度下使其发生反应，能够在衬底上生成GaN的分子团，在衬底表面上吸附、成核、生长，最终形成一层GaN单晶薄膜。采用MOCVD法制备的产量大，生长周期短，适合用于大批量生产，但生长完毕后需要进行退火处理，最后得到的薄膜可能会存在裂纹，会影响产品的质量。
MBE（分子束外延）
用MBE法制备GaN与MOCVD法类似，主要的区别在于镓源的不同。MBE法的镓源通常采用Ga的分子束，NH3作为氮源，制备方法与MOCVD法相似，也是在衬底表面反应生成GaN。用该方法可以在较低的温度下实现GaN的生长，一般为700 ℃左右。较低的生长温度可以规避高温环境下可能带来的某些污染。较小的反应速率可以在制备过程中对生成GaN 膜的厚度进行精确控制，有利于对该工艺中的生长机理进行深入研究，但对于外延层较厚的膜来说反应时间会比较长，在生产中发挥的效率欠佳，因此该方法只能用于一次制备少量的GaN薄膜，更多用于科研工作方面。[4]
HVPE法（氢化物气相外延）
HVPE与上述两种方法的区别还是在于镓源，此方法通常以镓的氯化物GaCl3为镓源，NH3为氮源，在衬底上以1000 ℃左右的温度生长出GaN晶体。与MOCVD和MBE相比，HVPE法的主要特点是生长速率高，生成的GaN晶体质量比较好，适于制作厚层和体材料。不过外延层厚度朝过20μm时，该方法制作的外延层容易产生裂纹，且高温反应对生产设备，生产成本和技术要求都比较高。
ETA-Semitech GaN外延解决方案
ETA-Semitech已在GaN外延领域积累了丰富的技术经验，能够提供完整的成熟的GaN外延生长方案。公司研发的MOCVD设备具备多项核心技术，能有效解决GaN异质外延中存在的位错及热失配等问题，降低缺陷密度，提升外延片良率，实现降本增效。
图：ETA-Semitech氮化硅外延设备（MOCVD ES600）
未来展望
大尺寸GaN衬底：目前GaN衬底尺寸受限（≤4英寸），未来需发展6–8英寸GaN单晶制备技术以降低成本。
异质集成：GaN-on-Si技术将进一步发展，推动与硅基CMOS工艺的集成，实现智能功率系统。
新型外延技术：选择性外延（如纳米线外延）、范德华外延（如石墨烯衬底）可能成为降低缺陷密度的新途径。
AI辅助优化：机器学习可用于外延工艺参数优化，提高均匀性并减少实验试错成本。
应用拓展：GaN在电动汽车（快充、逆变器）、5G/6G射频、深紫外光电器件等领域的应用将进一步扩大。
参考资料
[1]（王欢，田野，硅衬底氮化镓大失配应力调控方法研究，科技创新与应用，2023年3期）
[2]L.Liu, J.H.Edgar, Substrates for gallium nitride epitaxy,Materialss Science and Engineering R, 37(2002) 61-127.
[3]P.Ruterana, Philippe Vermaut, G.Nouet, A.Salvador, H.Morkoc, Surface treatment and layer structure in 2H-GaN growth on the (0001)Si surface of 6H-SiC by MBE, MRS Internet J.Nitride Semicond. Res.2(1997)42.
[4](Xinqiang Wang, Akihiko Yoshikawa, Molecular beam epitaxy growth of GaN, AlN and InN, Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials 48/49 (2004) 42-103.)