与传统的蓝宝石衬底和碳化硅衬底上外延生长GaN技术不同，在硅衬底上外延生长GaN基半导体材料与器件是一条我国有自主知识产权的创新技术路线，具有晶圆尺寸大、成本低、有望与硅CMOS工艺线兼容等优势。基于蓝宝石衬底外延生长的GaN基蓝光LED技术的发明人获得了2014年诺贝尔物理学奖，基于碳化硅衬底外延生长的GaN基LED技术的相关发明人获得了美国总统奖，而我国在硅衬底GaN基蓝光LED技术研发与产业化方面的主要贡献者也获得了2015年国家技术发明一等奖。除了蓝光LED，近年来我国在硅衬底GaN基激光器与紫外LED等光电子器件，以及电力电子器件等领域也取得了突破性进展，目前部分技术已处于国际领先水平，进一步巩固了我国在硅衬底GaN基光电子及电力电子领域的国际地位。

　　硅衬底GaN材料的外延生长

　　GaN与硅衬底之间存在巨大的晶格失配（17%），直接在硅衬底上生长GaN材料会在薄膜中引入高密度位错缺陷。更具挑战的是GaN的热膨胀系数约为硅的两倍，在硅衬底上高温（1000℃左右）生长的GaN材料在降温时快速收缩，受到硅衬底（缓慢收缩）向外拉扯的巨大张应力，因此硅基GaN外延片在降到室温过程中通常会向下翘曲，甚至产生龟裂（图1）。高密度的穿透位错缺陷和裂纹严重影响材料质量和器件性能及可靠性。因此，硅基GaN外延生长中的应力调控与缺陷控制是主要的技术瓶颈。

　　目前采用AlN/Al1-xGaxN组份渐变层或超晶格等应力控制层，在高温生长过程中积累足够高的压应力，并以此抵消材料生长完毕后降温过程中因热膨胀系数的失配而产生的张应力，从而消除裂纹的产生，在硅衬底上实现高质量GaN的外延生长。基于AlGaN应力控制层积累起来的压应力不仅可以抵消降温过程中产生的张应力，消除裂纹的产生，而且可使位错拐弯发生湮灭（图2），大幅降低了因GaN材料与硅之间的晶格失配而导致的位错缺陷密度，提高硅衬底GaN薄膜的晶体质量。GaN(002)和(102)等晶面的X光双晶摇摆曲线半高宽均小于300 arcsec。高质量的硅基GaN薄膜为GaN基光电子与电力电子器件的研发及产业化奠定了优异的材料基础。

　　硅衬底GaN基蓝光、紫外LED

　　基于上述AlN/AlGaN应力控制层技术在硅衬底上获得的高质量GaN材料具有较低的穿透位错缺陷密度，从而有效抑制了由穿透位错引起的非辐射复合，提升了LED、激光器等光电子器件的内量子效率。在实现高质量的InGaN/GaN多量子阱和高效的PN结掺杂的外延生长后，借助硅衬底易湿法剥离的特点，采用反射型p型电极和氮面粗化技术，获得发光效率高的垂直结构LED。

　　该技术具有很好的重复性和稳定性，晶能光电基于该技术已实现了4英寸硅衬底GaN基高效蓝光LED的规模量产，年销售额突破3亿人民币。6英寸硅衬底GaN基蓝光LED（图3）的研发水平已经达到了170流明/瓦。硅衬底GaN基LED产品已经通过了硅谷BACL公司的LM80测试，寿命达到5万小时。

　　蓝光LED成功产业化后，目前硅衬底GaN基LED正在向长波长和短波长两个方向拓展。南昌大学在硅衬底GaN基绿光、黄光等长波长LED方面取得了喜人的成绩，发光效率目前处于国际先进水平。相关的长波长LED产品可用于高显指、高品质光源。在短波长特别是近紫外UVA方面，晶能光电与中科院苏州纳米所通过实质性产学研合作，目前已实现了硅衬底AlGaN基近紫外LED的初步产业化。研制生产的发光波长在365～405nm之间的硅衬底AlGaN基大功率近紫外LED（图4），在500mA电流下的紫外光功率分别达到850～970mW，并在进一步的研发提升中。相关的近紫外LED产品主要用于工业固化、曝光显影等领域。下一步将向更短波长的UVB、UVC拓展研发，力争实现我国有自主知识产权的、低成本硅衬底AlGaN基深紫外光源。

　　硅衬底GaN基激光器

　　硅基光电集成被视为实现芯片与系统之间高速数据通信的理想方案之一，但硅基集成的高效激光光源的缺失长期制约了该领域的发展。硅的间接带隙结构决定了其自身难以高效发光。III-V族直接带隙半导体则为性能优异的发光材料，特别是第三代半导体GaN基激光器在信息存储、激光显示、汽车大灯、可见光通信、海底通信以及生物医疗等领域有着广泛的应用前景。如果能够在硅衬底上直接生长高质量的GaN基激光器，不仅可以借助大尺寸、低成本硅晶圆及其自动化工艺线来大幅度降低GaN基激光器的制造成本，还将为激光器等光电子器件与硅基电子器件的系统集成提供一种新的技术路线。该研究方向是目前国际上的一个研究热点，诺贝尔奖得主Amano教授等多个国际科研团队在从事硅衬底GaN基激光器的研究，多篇文章报道了硅衬底InGaN多量子阱发光结构的光泵浦激射。

　　与LED相比，GaN基激光器的工作电流密度要高2-3个数量级，对材料质量的要求更高。而且，GaN基端出射激光器在量子阱上下都需要生长波导层和光场限制层，其中光场限制层通常为低折射率的AlGaN材料，进而引起额外的张应力。这使得硅衬底GaN基激光器材料生长在应力调控与缺陷控制等方面比LED的要求高很多，技术挑战更大。

　　中科院苏州纳米所采用AlN/AlGaN新型缓冲层结构，在有效降低位错密度的同时，成功抑制了因硅与GaN材料之间热膨胀系数失配而常常引起的裂纹，在硅衬底上成功生长了厚度达到6μm左右的InGaN激光器结构，并通过腔面解理等器件工艺，成功实现了世界上首个室温连续电注入条件下激射的硅衬底InGaN基激光器（图5），激射波长为413nm，阈值电流密度为4.7kA/cm²。该项科研成果发表在Nature Photonics 10,595(2016)期刊上，受到Semiconductor Today、EE Times等众多国内外专业媒体的关注和报道。目前，中科院苏州纳米所团队正致力于侧向外延生长技术来降低硅衬底GaN中的位错密度，进一步提升激光器的性能和寿命，以期实现低成本的硅衬底GaN基激光器的产业化，并推进其在硅基光电集成中的应用。

　　硅衬底GaN基电子器件

　　GaN具有宽禁带、高击穿场强、高电子饱和速度、高热导率、化学性质稳定等显著特点，以及极强的自发极化和压电极化效应，这些特性使其成为大功率、高频率、高压、高温以及耐辐射电子器件的理想半导体材料。在GaN和带隙更宽的Al(In,Ga)N所形成的异质结中，极化电场显著调制了能带和电荷分布，整个异质结构在即使没有掺杂的情况下，也能够在Al(In,Ga)N/GaN界面形成面密度高达1～2×10¹³cm^-2的二维电子图5硅衬底GaN基激光器结构示意图气（2DEG），并且具有很高的电子迁移率（～2000cm²/V·s），在外加电场下可获得更大的电流输出。因此，GaN基电力电子器件主要以GaN基异质结场效应晶体管为主，该器件结构又称高电子迁移率晶体管（High-Electron-MobilityTransistor,HEMT）。硅衬底具有晶圆尺寸大、热导率高、自动化工艺线成熟等优点，而且有望与CMOS工艺兼容，更适合制备高性能、低成本的GaN基电力电子器件。

　　目前，国际上众多科研机构和公司在对8英寸硅基GaN电力电子材料生长与器件制备技术不断进行研发，包括各类增强型器件的制备工艺，如凹栅结构增强型HEMT（美国HRL实验室等）、p-GaN帽层增强型HEMT（日本松下公司等）、MIS型增强型HEMT（香港科技大学、美国麻省理工大学等）。近年来硅衬底GaN基电力电子产业化取得了很大进展。美国宜普电源转换公司（EPC）一直致力增强型GaN基电力电子器件的商业化，已开发出工作电压在40～200V的GaN产品系列，其中EPC eGaN^TM电力电子器件的击穿电压和动态电阻性能要比传统的硅基MOSFET优越5～10倍。美国国际整流公司（IR）作为全球最大的整流器制造商，在2010年也实现了GaN器件的商业化，开发出ip2010和ip2011系列产品，产品的工作电压为7～13.2V，最大容纳电流为30A，并且已成功应用到转换器、逆变器等工业化产品中。2012年比利时IMEC报道，在8英寸Si衬底上利用CMOS兼容的无金工艺制造AlGaN/GaNHEMTs功率晶体管，进一步展示了8英寸硅基GaN制造工艺与现有CMOS工艺兼容的可行性。2015年1月美国Transphorm与日本Fujitsu半导体公司宣布合作，在现有Si工艺生产线上量产基于6英寸硅晶圆的GaN基功率开关器件。表1汇总了国际上主要半导体厂家在硅基GaN电力电子器件商业化进展现状。

　　目前国内从事GaN基电力电子材料与器件研究的优秀科研单位主要包括北京大学、西安电子科技大学、中科院苏州纳米所、半导体所、微电子所、上海微系统所、中山大学、中电集团13所及55所等。北京大学在硅衬底上实现了高质量GaN/AlGaN异图66英寸硅衬底GaN基HEMT晶圆质结的外延生长，二维电子气的室温电气迁移率达到2200cm²/V·s，中电集团13所外延生长的InAlN/GaN异质结构的室温电子迁移率达到2175cm²/V·s，目前处于国际领先水平。中科院苏州纳米所在6英寸硅衬底上外延生长了厚度4μm以上的无裂纹的高阻AlGaN外延薄膜（图6）,硅衬底接地时HEMT器件的关态耐压达到760V。结合选区刻蚀技术实现了基于P型栅极的增强型GaN基HEMT的外延生长和器件制备，饱和输出电流达到350mA/mm，阈值电压≈+1V，开关比达到107，开态电阻达到10Ω·mm，具有较好的均匀性，为进一步产业化奠定了技术基础。

　　同时，我国半导体产业界也开始投入GaN基电力电子的研发工作，如台积电、英诺赛科、杭州士兰微电子、重庆中航微电子、晶能光电、三安光电等。值得一提的是，苏州集聚了多家从事GaN基电子器件研发与生产的科技公司，包括江苏华功半导体、苏州晶湛半导体、苏州以诺半导体、江苏能华微电子、苏州能屋、苏州捷芯威半导体、苏州能讯高能半导体、江苏华功半导体等，正在快速推进硅基GaN电力电子材料与器件的产业化进程。

　　除了硅衬底GaN基HEMT横向电子器件之外，近年来美国麻省理工MIT和香港科技大学等也在硅衬底GaN基垂直结构SBD和PiN等电力电子器件等方面取得了不错的进展。接下来需要进一步提升硅基GaN外延薄膜材料的质量与厚度，以提升器件的耐压等特性。

　　作者单位：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所