首台联合研发国产化MOCVD成功投用，实现高质量GaN外延生长！

MEMS 2023-09-14 00:00

9月6日，在材料生长与装备平台的超净实验室里，国家第三代半导体技术创新中心（苏州）科研人员经过三个多小时实验，采用与国内半导体设备厂家联合研发的首台国产MOCVD设备，首炉试生长成功产出了高质量GaN外延片。生长的GaN外延材料的测试结果：AFM表面Ra<0.5nm，XRD摇摆曲线 (0002)<300arcsec，(10-12)<400arcsec，载流子迁移率>600cm²/V-s。

首炉高质量GaN外延片的成功出炉，标志着国创中心（苏州）的公共研发平台在协助产业界研发新设备、开发新技术的支撑服务能力方面，又迈进了坚实的一步，具有重要的里程碑意义！

GaN

外延片

图1 采用联合研发国产化MOCVD生长的高质量GaN外延片

国创中心（苏州）围绕第三代半导体核心共性技术，建设开放共享的公共研发平台，致力于为产业链提供支撑服务，协助企业高效研发，促进科技型领军企业和中小微企业的快速成长。建设以来，通过开放创新、合作共赢的网络化协同模式，与科研院所、高校、企业紧密合作，不断补链强链。

在本次首炉生长实验中，采用的MOCVD设备是国创中心（苏州）助力企业研发的新型国产设备。该台设备的成功投用（如图2），也是国创中心（苏州）开放式建设创新研发平台的成功探索实践。

图2 科研人员在操作首台联合研发的MOCVD设备

该设备进一步提高了腔体的环境稳定性，通过对核心部件的优化设计，获得比传统商用设备更高的气流可调性和温度一致性（图3所示）。可以满足对外延要求更高的氮化物材料与器件（GaN基Micro-LED等）的外延生长和器件开发。

图3 新型MOCVD设备反应腔模拟（a）流场均匀性模拟；（b）量子阱生长阶段的温场模拟

科研人员在该设备上开展试生长实验，采用两步生长技术获得GaN单晶材料外延层。第一步在衬底上生长低温缓冲层，第二步对缓冲层进行高温热处理，然后进行三维粗化和三维转二维的合并，最终实现低位错GaN材料的平坦化生长。生长的外延层厚度控制在约2μm，不进行任何掺杂，同时验证设备运行的各项性能(如图4所示）。

图4 首炉生长的调试场景和原位监控曲线

生长结束后，取出的GaN外延片光亮如镜，在显微镜下表面平整，缺陷较少。经原子力（AFM）测试，其表面呈现出台阶流形貌，原子台阶清晰可见，粗糙度值Ra为0.33nm（如图5所示）。

图5 首片GaN外延片及其表面形貌图

对该外延片进行晶体质量和电学性质的检测，X射线衍射（XRD）显示，（0002）晶面的半高宽为290弧秒，（10-12）晶面的半高宽为379弧秒，Hall测试结果显示该非掺GaN的载流子迁移率为676cm²/V-s（如图6所示）。

图6 晶体质量和电学性质的测试结果

国创中心（苏州）的创新平台将继续与科研界、企业界携手，密切合作，架接基础研究到产业化的桥梁，不断创新突破，助力企业高效研发，促进科技成果高质量转化，推动我国第三代半导体产业创新可持续发展，提升国产半导体装备和关键核心技术的国际竞争力。

关于材料生长与装备平台

材料生长与装备平台是国家第三代半导体创新中心（苏州）的四大功能平台之一，围绕国家重大布局和第三代半导体产业应用需求，面向新型显示、电力电子、微波射频和深紫外等应用领域，联合企业、高校院所重点建设外延技术和装备研发的系统能力，致力于建成国际一流的综合型材料创新平台。目前已承担国家重点研发任务3项，江苏省重点项目任务2项，申请核心专利130项，累计为全国60余家国内企业和科研院校提供支撑服务。

延伸阅读：
《VCSEL专利态势分析-2022版》
《VCSEL期刊文献检索与分析-2022版》
《传感应用的VCSEL技术及市场-2021版》