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摘 要 以氮化镓(GaN)为代表的Ⅲ族氮化物半导体材料已经成为世界范围的研究热点。但是，采用异质外延法生长的GaN，由于衬底材料晶格失配和热失配而存在高密度的位错缺陷和产生龟裂；外延生长所用的源材料之间存在严重的气相预反应以及MO源对氧和水份等杂质十分敏感，因而外延质量和成品率强烈依赖于设备性能和工艺条件。无论是设备还是工艺，都还存在很大的发展空间和机遇，预料3年~5年内国外将推出每批几十片的商用机型，我国相关设备制造和器件开发面临严峻挑战。
关键词 GaN；外延生长；发展战略
1 引言
以氮化镓(GaN)为代表的Ⅲ族氮化物半导体材料，包括本征层GaN、掺杂Si或Mg的n型和p型GaN、InGaN和AlGaN三元膜以及异质结、超晶格、量子阱材料，作为继Si和Ge单质半导体以及GaAs和InP等化合物半导体之后的第三代半导体材料，由于其优异的电学、光学和热学特性，在高温大功率微电子器件、蓝绿和紫色发光器件、信息显示存储和读取等领域有着广阔的应用前景。特别是白光LED的开发和产业化发展，将在照明领域引发一场革命。白光LED只需普通灯泡1/5的能耗就能得到同等亮度，而且寿命高达10万小时，是普通灯泡的100倍。据预测，到2025年全世界将有25%~30%的白炽灯泡和荧光灯管被白光LED所取代。能耗减少八成和寿命提高百倍，这对于人类社会所面临的能源和资源危机不能不说是一大福音。因此，GaN的制备和器件开发已经成为世界范围的研究热点和投资热点。本文讨论GaN-MOCVD设备研制和产业化发展过程中的主要难点、存在的机遇和面临的挑战。
2 GaN外延生长的主要方法
外延是在单晶衬底材料上生长一层晶相结构和衬底材料完全相同的薄膜。GaN基材料常用的外延生长方法有气相外延、分子束外延、金属有机物化学气相淀积3种。
(1)氢化物气相外延(HVPE:Hydride Vapor Phase Epitaxy)工作原理是用金属Ga与HCl反应生成GaCl，GaCl再与NH3反应生成GaN。其优点是生长速率特别快，不低于50μm/h，有的高达100μm/h~150μm/h。缺点是GaN在HCl中不稳定，且HCl对设备产生腐蚀，HCl与NH3的副反应生成NH4Cl固体颗粒混在膜中损害泵，特别是不能用于生长InGaN等三元膜和异质结。在GaN制备工艺中可用于在蓝宝石衬底上生长GaN缓冲层，今后有望发展成制备大面积无支撑GaN基板的技术。
(2)气态源分子束外延(GSMBE:Gas Source Mgolecular Beam Epitaxy)将金属Ga加热蒸发形成分子束，用NH3作氮源，为了使NH3离解而采用电子回旋共振(ECR:Electron Cyclotron Resonance)枪。其优点是低温(<700℃)生长，避免了热扩散问题，生长的GaN晶体质量好，生长后也不需要热处理，缺点是生长速率慢、产量低、设备价格昂贵，需要超高真空。
(3)金属有机物化学气相淀积(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)有的文献称为金属有机物气相外延(MOVPE)，是用三甲基镓(TMGa)或三乙基镓(TEGa)等MO源与NH3在高温下反应生成GaN。与MBE相比，设备造价低、生产率高、更适合批量生产，特别是采用TMAl或TMIn等有机源可以生长AlGaN和InGaN等三元膜，用CP2Mg可实现P型掺杂。因此，目前惟一能用于GaN基材料外延生长，特别是InGaN活性层制备的工艺仍然还只有MOCVD。
3 MOCVD外延生长GaN所遇到的主要技术难题
MOCVD技术是20世纪70年代为制备GaAs和InP等化合物半导体材料而开发的，用于GaN基材料外延生长时有不同的特点，而不能简单沿用。首先，有利的是Ⅴ族源采用NH3而非AsH3和 PH3，其危险性大大降低。但是对设备的要求不仅没有降低，反而提出更加棘手的特殊要求:
(1)成膜温度高，接近1200℃的高温表面对气体产生热浮力，使气体难以到达表面；
(2)NH3具有强腐蚀性，反应器材料要能适应氨气气氛；
(3)TMGa、TMIn、TMAl等对氧和水份特别敏感，要求气体纯度高和反应器不暴露大气；
(4)形成掺Mg的P型层后要经热处理激活；
(5)TMGa和NH3即使在低温下也会预反应形成加合物；
(6)生长多层膜时，气体成份要快速切换，以形成陡峭界面；
(7)既要求膜厚均匀，又要求组分均匀，如InGaN的In组分。
这些特殊要求极大地增大了GaN-MOCVD设备设计和制造的难度。主要技术难题是:
(1)基板选择和缺陷控制
半导体晶体材料外延生长对基板(衬底)的要求是:晶格失配度小、热膨胀系数接近、有较大的尺寸、价格便宜、适应生长气氛。目前，常用的蓝宝石基板尺寸已达Ф50(mm)×0.5(mm)，价格也比较便宜，NH3气氛中化学性质稳定，但与GaN晶格失配度13.8%，热膨胀系数失配度34%，晶格失配将造成高的位错密度，而热失配将导致GaN膜产生龟裂。
(2)气相预发应
TMGa和NH3之间存在严重的气相预反应而生成加合物，生长GaN时的反应过程分为加合物的生成、分解、聚合、解吸4个过程:
Ga(CH3)3+NH3→Ga(CH3)3·NH3→(CH3)2Ga:NH2
→[(CH3)2Ga:NH2]x→外延GaN的低分子量前驱物
加合物和聚合物在反应器气体喷口凝结、在反应室壁沉积以及在气相中形成微粒，阻碍反应物的输运、影响膜的质量以及缩短设备维护周期和损害泵系统。
(3)源材料浪费和对环境有害
由于N在Ga中的溶解度十分小以及接近1200℃的高温衬底产生的热浮力使NH3难以到达衬底表面，因此，MOCVD生长GaN工艺中Ⅴ/Ⅲ族源流量比高达1000~20 000，Ⅴ族源的利用率极小，Ⅲ族源的利用率也只有30%，由此可见生长GaN时源的浪费是多么严重。排气中NH3很多，NH3在空气中限定最高体积分数为25×10-6，必须经过无害处理才能不至于破坏环境，尾气无害处理是MOCVD的永恒课题。
(4)设备气密性和气体纯度要求高
Ⅲ族元素是缺链元素，Ga、In、Al很容易与O2或H2O结合，MOCVD生长GaN时气氛中氧的体积分数要少于10-8，不仅要求反应室和管道气密性好，而且要求材料内壁释放的有害气体要少，以及送进的H2、N2纯度要高。但是大流量的气体纯化器价格相当昂贵，而且难于维护，常用于纯化H2的钯管特别娇气而且容易饱和。
(5)气氛适应性和气流控制
NH3对石墨等材料有很强的腐蚀作用，对真空泵也有腐蚀。生长GaN的MO源常用H2/N2携带和稀释，H2和N2两者热容量相差很大。H2的热导率比N2高1个数量级，对于温度变化存在不同的反应，容易在局部形成涡流，而正常的生长气流应该保证层流条件。因此，对气流状态的研究和控制是十分重要的，特别是多种气体混合的场合和温度急剧变化的场合。
4 存在的发展空间和机遇
由以上对于GaN-MOCVD技术难点的叙述可见，所列举的几个难题，即使在欧美和日本等发达国家也还远未完全解决。在基板选择和缺陷控制方面，有人用HVPE法在蓝宝石衬底上制作400μm~500μm厚的GaN，去除蓝宝石衬底并两面抛光后得到厚度为350μm的无裂纹、无支撑的GaN衬底，可用于GaN同质外延，但尺寸还只有10m×10m。直接在蓝宝石上生长的GaN厚层为多晶，在ZnO(与GaN晶格失配度为2%)上可生长厚度为200μm~400μm的透明单晶GaN厚层，但无裂纹的尺寸也只有2m×4m，这些结果都还未达到实用要求。虽然GaN-LED制造中对GaN的位错缺陷不那么敏感，但对于激光器和高温大功率晶体管来说，缺陷控制是第一重要的，不解决高密度位错缺陷问题，就根本谈不上进入第三代半导体时代。在新世纪里，人类社会面临的最大难题是资源、能源和环境，珍惜有限的资源，开发可再生的绿色能源，保护人类生存的生态环境已成为人们的共识。当我们考虑GaN-MOCVD产业化发展的时候，不能不把资源、能源、环境纳入我们研究的范畴，将节省源材料，防止有害气体对环境的污染提到战略高度来研究。另外，预计3年~5年内国外还会推出每批几十片的商用机型，我们在这方面还要认真研究，尽力缩小与国外的差距。
问题的发现是解决的一半，但另一半征途也更艰难，而且还会出现未曾发现的问题。但是，人的聪明才智是无限的，办法总比问题多，只要我们群策群力、勤于思考、勇于实践、敢于创新，就能很好地解决所面临的问题。
5 面临的挑战和建议
当我们研究GaN-MOCVD设备产业化发展战略的时候，不能仅仅着眼于技术本身的发展，还要从规模经济和体制创新上来进行深入研究。虽然这些领域对于从事专业技术研究的人来说是一个陌生的、未曾涉足的领域，但是，既然要讲产业化，就必须认真对待。
国外引进的GaN-MOCVD设备的价格一降再降，虽然有配置上的简化和考虑我国客户经济承受能力的因素，但也不能排除价格战的因素。对高新技术产品来说，国产设备价格必须是国外同类设备的几分之一的观念在GaN-MOCVD设备方面不能套用。但是，减少产品成本、在性能价格比上具有国际竞争力仍然是国产设备发展的必经之路。前提是满足工艺和客户使用的要求，如何权衡需求和价格的矛盾，确实需要器件开发单位、工艺研究单位和设备制造单位通力合作。
这就牵涉到一个体制问题。近几年来，国内许多高校科研单位与企业(包括民营企业)联手开发GaN-LED芯片制造，取得了一定成效，也遇到了经营和利润等问题。可以说现在处于一个磨合时期，如果能安全度过这个磨合期，则小气候会发展成大气候，更多的企业和投资商会加入到这个大合唱中来。相反，如果成品率不能提高，投入产出比和利润率不能满足投资商的期望值，老板撤资和公司解体的危险性不能说没有，这样一来，小气候将遇到逆风或寒流。
针对面临的挑战和风险，初步提出如下建议:
(1)加大投资力度，提升开发起点:我国半导体设备研发经费严重不足，国外新产品研发费用是单台售价的10倍~15倍，而我国只有1/3。
(2)提供优惠政策，减小高技术产业发展的风险:对引进件减免关税，对销售减征所得税。
(3)组建正规兵团，建立一两个大型示范企业:半导体设备的研发投资规模大、涉及技术领域广，任何单位都难以单独承担。要以国家为主导，以有实力的单位为核心，组建一两个大型示范企业。
(4)鼓励微电子行业及早介入光电子行业:光电器件制造沿用微电子工艺，微电子行业更有规模生产的经验。
(5)促成芯片生产、工艺研发和设备制造三方面的联合。
(6)建立人才激励机制，让主要研发人员分享一定比例的股权和专利使用费。
本课题获国家高技术研究发展专项经费资助(2002AA311243)
谢辞：
本文的研究工作得到国家高技术发展计划的资助、得到中国电子科技集团第４８研究所领导和课题组全体成员的帮助，一并致谢。
关键词 GaN；外延生长；发展战略
1 引言
以氮化镓(GaN)为代表的Ⅲ族氮化物半导体材料，包括本征层GaN、掺杂Si或Mg的n型和p型GaN、InGaN和AlGaN三元膜以及异质结、超晶格、量子阱材料，作为继Si和Ge单质半导体以及GaAs和InP等化合物半导体之后的第三代半导体材料，由于其优异的电学、光学和热学特性，在高温大功率微电子器件、蓝绿和紫色发光器件、信息显示存储和读取等领域有着广阔的应用前景。特别是白光LED的开发和产业化发展，将在照明领域引发一场革命。白光LED只需普通灯泡1/5的能耗就能得到同等亮度，而且寿命高达10万小时，是普通灯泡的100倍。据预测，到2025年全世界将有25%~30%的白炽灯泡和荧光灯管被白光LED所取代。能耗减少八成和寿命提高百倍，这对于人类社会所面临的能源和资源危机不能不说是一大福音。因此，GaN的制备和器件开发已经成为世界范围的研究热点和投资热点。本文讨论GaN-MOCVD设备研制和产业化发展过程中的主要难点、存在的机遇和面临的挑战。
2 GaN外延生长的主要方法
外延是在单晶衬底材料上生长一层晶相结构和衬底材料完全相同的薄膜。GaN基材料常用的外延生长方法有气相外延、分子束外延、金属有机物化学气相淀积3种。
(1)氢化物气相外延(HVPE:Hydride Vapor Phase Epitaxy)工作原理是用金属Ga与HCl反应生成GaCl，GaCl再与NH3反应生成GaN。其优点是生长速率特别快，不低于50μm/h，有的高达100μm/h~150μm/h。缺点是GaN在HCl中不稳定，且HCl对设备产生腐蚀，HCl与NH3的副反应生成NH4Cl固体颗粒混在膜中损害泵，特别是不能用于生长InGaN等三元膜和异质结。在GaN制备工艺中可用于在蓝宝石衬底上生长GaN缓冲层，今后有望发展成制备大面积无支撑GaN基板的技术。
(2)气态源分子束外延(GSMBE:Gas Source Mgolecular Beam Epitaxy)将金属Ga加热蒸发形成分子束，用NH3作氮源，为了使NH3离解而采用电子回旋共振(ECR:Electron Cyclotron Resonance)枪。其优点是低温(<700℃)生长，避免了热扩散问题，生长的GaN晶体质量好，生长后也不需要热处理，缺点是生长速率慢、产量低、设备价格昂贵，需要超高真空。
(3)金属有机物化学气相淀积(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)有的文献称为金属有机物气相外延(MOVPE)，是用三甲基镓(TMGa)或三乙基镓(TEGa)等MO源与NH3在高温下反应生成GaN。与MBE相比，设备造价低、生产率高、更适合批量生产，特别是采用TMAl或TMIn等有机源可以生长AlGaN和InGaN等三元膜，用CP2Mg可实现P型掺杂。因此，目前惟一能用于GaN基材料外延生长，特别是InGaN活性层制备的工艺仍然还只有MOCVD。
3 MOCVD外延生长GaN所遇到的主要技术难题
MOCVD技术是20世纪70年代为制备GaAs和InP等化合物半导体材料而开发的，用于GaN基材料外延生长时有不同的特点，而不能简单沿用。首先，有利的是Ⅴ族源采用NH3而非AsH3和 PH3，其危险性大大降低。但是对设备的要求不仅没有降低，反而提出更加棘手的特殊要求:
(1)成膜温度高，接近1200℃的高温表面对气体产生热浮力，使气体难以到达表面；
(2)NH3具有强腐蚀性，反应器材料要能适应氨气气氛；
(3)TMGa、TMIn、TMAl等对氧和水份特别敏感，要求气体纯度高和反应器不暴露大气；
(4)形成掺Mg的P型层后要经热处理激活；
(5)TMGa和NH3即使在低温下也会预反应形成加合物；
(6)生长多层膜时，气体成份要快速切换，以形成陡峭界面；
(7)既要求膜厚均匀，又要求组分均匀，如InGaN的In组分。
这些特殊要求极大地增大了GaN-MOCVD设备设计和制造的难度。主要技术难题是:
(1)基板选择和缺陷控制
半导体晶体材料外延生长对基板(衬底)的要求是:晶格失配度小、热膨胀系数接近、有较大的尺寸、价格便宜、适应生长气氛。目前，常用的蓝宝石基板尺寸已达Ф50(mm)×0.5(mm)，价格也比较便宜，NH3气氛中化学性质稳定，但与GaN晶格失配度13.8%，热膨胀系数失配度34%，晶格失配将造成高的位错密度，而热失配将导致GaN膜产生龟裂。
(2)气相预发应
TMGa和NH3之间存在严重的气相预反应而生成加合物，生长GaN时的反应过程分为加合物的生成、分解、聚合、解吸4个过程:
Ga(CH3)3+NH3→Ga(CH3)3·NH3→(CH3)2Ga:NH2
→[(CH3)2Ga:NH2]x→外延GaN的低分子量前驱物
加合物和聚合物在反应器气体喷口凝结、在反应室壁沉积以及在气相中形成微粒，阻碍反应物的输运、影响膜的质量以及缩短设备维护周期和损害泵系统。
(3)源材料浪费和对环境有害
由于N在Ga中的溶解度十分小以及接近1200℃的高温衬底产生的热浮力使NH3难以到达衬底表面，因此，MOCVD生长GaN工艺中Ⅴ/Ⅲ族源流量比高达1000~20 000，Ⅴ族源的利用率极小，Ⅲ族源的利用率也只有30%，由此可见生长GaN时源的浪费是多么严重。排气中NH3很多，NH3在空气中限定最高体积分数为25×10-6，必须经过无害处理才能不至于破坏环境，尾气无害处理是MOCVD的永恒课题。
(4)设备气密性和气体纯度要求高
Ⅲ族元素是缺链元素，Ga、In、Al很容易与O2或H2O结合，MOCVD生长GaN时气氛中氧的体积分数要少于10-8，不仅要求反应室和管道气密性好，而且要求材料内壁释放的有害气体要少，以及送进的H2、N2纯度要高。但是大流量的气体纯化器价格相当昂贵，而且难于维护，常用于纯化H2的钯管特别娇气而且容易饱和。
(5)气氛适应性和气流控制
NH3对石墨等材料有很强的腐蚀作用，对真空泵也有腐蚀。生长GaN的MO源常用H2/N2携带和稀释，H2和N2两者热容量相差很大。H2的热导率比N2高1个数量级，对于温度变化存在不同的反应，容易在局部形成涡流，而正常的生长气流应该保证层流条件。因此，对气流状态的研究和控制是十分重要的，特别是多种气体混合的场合和温度急剧变化的场合。
4 存在的发展空间和机遇
由以上对于GaN-MOCVD技术难点的叙述可见，所列举的几个难题，即使在欧美和日本等发达国家也还远未完全解决。在基板选择和缺陷控制方面，有人用HVPE法在蓝宝石衬底上制作400μm~500μm厚的GaN，去除蓝宝石衬底并两面抛光后得到厚度为350μm的无裂纹、无支撑的GaN衬底，可用于GaN同质外延，但尺寸还只有10m×10m。直接在蓝宝石上生长的GaN厚层为多晶，在ZnO(与GaN晶格失配度为2%)上可生长厚度为200μm~400μm的透明单晶GaN厚层，但无裂纹的尺寸也只有2m×4m，这些结果都还未达到实用要求。虽然GaN-LED制造中对GaN的位错缺陷不那么敏感，但对于激光器和高温大功率晶体管来说，缺陷控制是第一重要的，不解决高密度位错缺陷问题，就根本谈不上进入第三代半导体时代。在新世纪里，人类社会面临的最大难题是资源、能源和环境，珍惜有限的资源，开发可再生的绿色能源，保护人类生存的生态环境已成为人们的共识。当我们考虑GaN-MOCVD产业化发展的时候，不能不把资源、能源、环境纳入我们研究的范畴，将节省源材料，防止有害气体对环境的污染提到战略高度来研究。另外，预计3年~5年内国外还会推出每批几十片的商用机型，我们在这方面还要认真研究，尽力缩小与国外的差距。
问题的发现是解决的一半，但另一半征途也更艰难，而且还会出现未曾发现的问题。但是，人的聪明才智是无限的，办法总比问题多，只要我们群策群力、勤于思考、勇于实践、敢于创新，就能很好地解决所面临的问题。
5 面临的挑战和建议
当我们研究GaN-MOCVD设备产业化发展战略的时候，不能仅仅着眼于技术本身的发展，还要从规模经济和体制创新上来进行深入研究。虽然这些领域对于从事专业技术研究的人来说是一个陌生的、未曾涉足的领域，但是，既然要讲产业化，就必须认真对待。
国外引进的GaN-MOCVD设备的价格一降再降，虽然有配置上的简化和考虑我国客户经济承受能力的因素，但也不能排除价格战的因素。对高新技术产品来说，国产设备价格必须是国外同类设备的几分之一的观念在GaN-MOCVD设备方面不能套用。但是，减少产品成本、在性能价格比上具有国际竞争力仍然是国产设备发展的必经之路。前提是满足工艺和客户使用的要求，如何权衡需求和价格的矛盾，确实需要器件开发单位、工艺研究单位和设备制造单位通力合作。
这就牵涉到一个体制问题。近几年来，国内许多高校科研单位与企业(包括民营企业)联手开发GaN-LED芯片制造，取得了一定成效，也遇到了经营和利润等问题。可以说现在处于一个磨合时期，如果能安全度过这个磨合期，则小气候会发展成大气候，更多的企业和投资商会加入到这个大合唱中来。相反，如果成品率不能提高，投入产出比和利润率不能满足投资商的期望值，老板撤资和公司解体的危险性不能说没有，这样一来，小气候将遇到逆风或寒流。
针对面临的挑战和风险，初步提出如下建议:
(1)加大投资力度，提升开发起点:我国半导体设备研发经费严重不足，国外新产品研发费用是单台售价的10倍~15倍，而我国只有1/3。
(2)提供优惠政策，减小高技术产业发展的风险:对引进件减免关税，对销售减征所得税。
(3)组建正规兵团，建立一两个大型示范企业:半导体设备的研发投资规模大、涉及技术领域广，任何单位都难以单独承担。要以国家为主导，以有实力的单位为核心，组建一两个大型示范企业。
(4)鼓励微电子行业及早介入光电子行业:光电器件制造沿用微电子工艺，微电子行业更有规模生产的经验。
(5)促成芯片生产、工艺研发和设备制造三方面的联合。
(6)建立人才激励机制，让主要研发人员分享一定比例的股权和专利使用费。
本课题获国家高技术研究发展专项经费资助(2002AA311243)
谢辞：
本文的研究工作得到国家高技术发展计划的资助、得到中国电子科技集团第４８研究所领导和课题组全体成员的帮助，一并致谢。