近日，轮盘在线 集成攻关大平台氮化物研究团队在氢化物气相外延（HVPE）技术制备4英寸氮化镓（GaN）单晶衬底方面取得重要学术进展，相关研究以“Hydride Vapor Phase Epitaxy Flow Field Design and Uniformity Optimization for 4-in. Gallium Nitride Crystal Substrates”为题，发表于国际晶体生长领域期刊《Crystal Growth & Design》。2024级硕士研究生刘庆斌为论文第一作者，王忠新、张雷与王守志为共同通讯作者，山东大学为第一通讯单位。

HVPE技术因具备超过100 μm/h的高生长速率，是目前制备高质量大尺寸GaN单晶衬底的主流商业化技术。然而，随着衬底尺寸的不断扩大，流场均匀性控制难度剧增，常规单参数优化易引发涡流及晶体开裂等缺陷。为解决这一难题，团队利用计算流体动力学（CFD）对垂直HVPE反应器进行三维建模。该模型系统研究了前驱体（GaCl）流量、隔离气流量、NH3流量以及衬底位置对GaN沉积速率和均匀性的影响。研究发现，流场内各参数间存在着复杂的相互制约关系：GaCl流量过高会导致边缘供给不足，NH₃流量偏低会降低整体沉积效率。此外，喷嘴与衬底距离过近会产生“中心厚、边缘薄”的严重畸变；距离过远则会使沉积速率显著下降。通过协同调控轴向质量传输与径向表面扩散，团队最终确立了核心工艺参数的最佳平衡点。优化后的流场成功实现了平稳均匀的层流覆盖，兼顾了高生长速率与极低的不均匀性。

图：（a）基于CFD仿真的垂直HVPE反应室流场优化示意图，（b）优化前（c）优化后的GaN晶体光学图片，（d）优化前和（e）优化后GaN的表面CL图像（f）优化前后直径方向五点厚度分布以及（g）相对不均匀性，（h）优化后后GaN五点（A-E）PL图谱五点对应的INBE/IYL对数比值对比，（i）优化前和（j）优化后GaN九点（A-I）Raman图谱以及通过九点对应的E2（High）偏移计算出的表面应力分布。

为验证数值模拟的有效性，研究团队基于最优参数在HVPE系统中开展了4英寸GaN晶体生长实验。结果表明，优化后的晶片微裂纹与表面凹坑显著减少，外观高度平整透明，相对厚度不均匀性从11.95%降至7.06%，位错密度从9.1×10⁶cm^-2下降至2.4×10⁶cm^-2，半峰宽降至54.4arcsec。此外，光致发光（PL）光谱证实与缺陷相关的黄光带（YL）被极大抑制，对数比值log(I_NBE/I_YL)从1左右提升至2左右。多点拉曼光谱则表明，全片平均应力从-0.46 GPa缓解至-0.21 GPa，同时代表杂质的A_1(LO)峰在优化后基本消失。该项研究有效抑制了多晶夹杂、微裂纹和表面凹坑的形成，为大尺寸GaN单晶衬底的低成本、工业化制备提供了可靠的工艺路线。