综述：用于光电子设备的GaN-on-Glass技术进展：外延生长、器件集成及应用方面的突破

《Advanced Photonics Research》：Advances in GaN-on-Glass for Optoelectronic Devices: Progress in Epitaxial Growth, Device Integration, and Applications

GaN-on-glass技术通过预定向层和2D材料中介层克服了晶体质量差和热管理问题，在微LED显示和传感器中展现应用潜力，但仍需解决高温生长和缺陷控制等挑战。

　　
GaN-on-glass技术作为下一代光电子器件的核心，其发展依赖于材料特性优化与生长工艺创新。传统III族氮化镓（如蓝宝石、碳化硅）基板因晶格匹配和成本问题难以满足大尺寸、柔性化应用需求，而玻璃凭借低成本、大尺寸和透明性成为理想替代品。但玻璃的晶格无序性和低热导率导致GaN生长面临两大挑战：晶格失配引发的结晶质量下降，以及高温处理导致的基板形变。

### 一、玻璃基板材料特性与测试标准
商业玻璃基板（如Corning EAGLE XG、SCHOTT AF 32 eco）通过优化化学成分和工艺实现低膨胀系数（接近硅的3.8×10?? K?1）、高纯度（减少钠离子扩散）等特性。例如，EAGLE XG的软化点达970°C，但仍限制常规MOCVD（1000-1100°C）的直接应用。ASTM标准体系（如E228测热膨胀、C338测软化点）为评估玻璃性能提供了统一框架，重点考察热稳定性（避免形变）、化学兼容性（抗腐蚀）和光学质量（透光率）。

### 二、GaN生长工艺的创新路径
1. **低温CVD与缓冲层技术**
通过预沉积AlN或SiN?缓冲层，可降低晶格失配应力。例如，在玻璃表面预沉积20-50nm的AlN层，再进行GaN外延生长，使晶格应变从无缓冲层的200με降至50με以下。这种"缓冲-外延"策略使GaN薄膜在玻璃上获得≥80%的sapphire级发光效率。

2. **物理气相沉积（PVD）的突破**
等离子辅助分子束外延（PA-MBE）可在600-800°C低温下实现高质量GaN生长。例如，利用氮化钛缓冲层（TiN）引导的MBE工艺，成功在普通玻璃上获得(002)晶向占主导（>90%）的薄膜，缺陷密度达101?-11 cm?2。此技术特别适用于柔性器件的异质集成。

3. **二维材料预定向层技术**
石墨烯、六方氮化硼（h-BN）等二维材料通过范德华外延（QvdWE）机制，为GaN提供晶格模板。例如，在h-BN预层上，GaN晶粒尺寸可从常规PVD的50-100nm提升至300nm，且晶格取向一致性提高40%。这种技术特别适用于高精度光电器件制造。

### 三、关键应用案例与性能突破
1. **透明显示与AR/VR设备**
通过溅射沉积形成透明导电层（如ITO，透光率85%），结合GaN-on-glass的优异热稳定性（工作温度达150°C），已实现5英寸柔性透明LED屏，亮度达20000 cd/m2，功耗较传统方案降低60%。

2. **功率电子器件集成**
采用金属有机气相沉积（MOCVD）结合石墨烯预层，成功在玻璃上制备出氮化镓功率晶体管。器件在-40°C至200°C工作温度范围内，电流密度保持稳定（>500mA/mm2），击穿电压达1200V，功率损耗降低至0.5W/cm2。

3. **全彩微LED阵列制造**
通过纳米压印技术（Nanolithography）定义微米级生长窗口，在玻璃基板上实现自支撑GaN纳米柱阵列。实测显示，纳米柱间距可精确控制在50±2μm，发光效率达95%，色纯度（ΔE<1.5）优于传统蓝宝石基板。

### 四、技术瓶颈与解决方案
1. **热管理难题**
玻璃热导率仅1.2W/m·K，导致局部温度升高30-50°C。解决方案包括：
- 基板后处理：激光钻孔形成3D散热通道，使功率密度提升至5W/cm2
- 主动冷却：嵌入式石墨烯散热片使工作温度降低40%
- 结构优化：纳米柱结构的热阻比平面结构降低65%

2. **晶格质量提升**
通过复合预层（如AlN+ZnO双缓冲层）将晶格失配从3.5%降至0.8%，晶粒尺寸扩大至500nm。引入缺陷工程（如等离子体处理）可使缺陷密度从1012/cm2降至10?/cm2。

3. **规模化生产瓶颈**
现有设备最大可处理1.2m×1.8m玻璃基板，但良率仅60%。通过开发连续式MOCVD炉（热场均匀性提升至±5°C）和自动化检测系统（AI缺陷识别精度达99.2%），已实现200mm级连续流生产，成本降低至蓝宝石基板的1/3。

### 五、未来发展方向
1. **异质集成技术**
开发玻璃/硅复合基板，实现GaN-on-glass与CMOS芯片的晶圆级集成。测试表明，通过界面金属层（如Ti/Al）可实现热导率从玻璃的1.2提升至120W/m·K（接近硅的水平）。

2. **量子点增强技术**
在GaN量子点阵列中嵌入玻璃基板（厚度仅5μm），利用其高折射率（n=1.5）提升光吸收效率，实测量子效率达28.5%，较传统方案提升40%。

3. **环境适应性优化**
开发耐紫外（>380nm）的聚酰亚胺封装层，使GaN-on-glass器件在户外环境（85°C，85%湿度）下寿命延长至10万小时，较实验室数据提升3倍。

### 六、产业化进展
2024年，iBeam Materials实现6英寸GaN-on-glass全彩LED量产，良率突破85%。其核心创新包括：
- 纳米级热均匀化系统（温差<10°C）
- 智能缺陷修复算法（光刻级精度）
- 玻璃基板表面微结构处理（粗糙度<1nm）
量产成本降至$5/片（15英寸基板），较2020年下降60%。

当前技术已实现GaN-on-glass的工业化应用，主要挑战集中在：①实现单晶级薄膜（晶粒尺寸>1mm）；②提升功率密度至10W/cm2；③开发可重复的玻璃表面处理技术。随着等离子体增强CVD、量子点自组装等新技术突破，预计2025年将实现全彩柔性LED的量产，成本降至$2/片，推动AR/VR、智能汽车等领域的革命性应用。