砷化鎵（gaas）單晶是一種重要的半導體光電子和高速高頻用半導體微電子材料，在國際上其產量僅次於矽。hb工藝是研究開發最早的gaas單晶生長工藝，也是目前生產量最大的工藝，hb-gaas單晶年產量佔全世界gaas單晶年產量的50%（2023年全球的gaas單晶產量約140t）。
hb-gaas單晶生長裝置及生長過程涉及到物理、化學、冶金學、自動控制、機械工藝等多個學科，技術含量高，批量生產工藝難度大，日本、美國等少數廠家在上世紀八十年代前後即開始批量生產，但其所使用的生產裝置、生產工藝及晶元加工技術對外嚴格保密。
國際上hb-gaas單晶生產以日本住友電工公司為主，其產量約佔全世界產量的60%（2023年為62%），所提供的晶元以φ2」，φ2.5」為主。
φ2」，φ2.5」水平砷化鎵單晶近年來大量用於紅外led和高亮度led，是目前生產量和需求量最大、增長率最快的化合物半導體器件之一。但是由於國內目前還沒有生產該產品的企業，使國內企業對該產品的需求主要依賴進口，造成大量資金流向國外。
本專案產品的研發工作正是在這一背景下提出並開展的。
「水平砷化鎵單晶材料產業化」 2023年被原國家計委批覆為國家高技術產業化示範工程專案，並於2023年通過中國有色金屬工業協會組織的科技成果鑑定，鑑定結果為：該項目的技術、產品質量達到了國際先進水平。本專案產品目前關鍵技術已經突破，並開始批量生產，產品已成功進入國內外市場。
下一步工作中，企業計畫在進一步綜合優化現有工藝技術基礎上，使φ2」hb－gaas單晶成品率由現在的75%增加到85%。epd<5×103cm－2。使φ2.
5」hb－gaas單晶成品率由現在的55%增加到70%，epd<5×103cm－2。以進一步提高產品的價效比從而增強其競爭力。
本產品2023年通過鑑定後開始進行小規模生產，2023年該產品銷售收入達到400萬元，2023年產品銷售收入達到1000萬元，預計2023年銷售收入可達到1800萬元，淨利潤達到180萬元。
本專案產品近年來大量用於紅外led（波長800-900nm）和高亮度（high bright-hb）led—即algainp/gaas高亮度紅、橙、黃色led，是目前生產量和需求量最大、增長率最快的化合物半導體器件之一。
主要技術與效能指標如下：
n型（摻si）
n(cm-3)：（2～40）×1017；μn(cm2/晶元直徑（mm）：50.0±0.5，63.0±0.5；epd(cm-2)：≤1×104。
p型(摻zn)
p(cm-3)：（2～50）×1018；μp(cm2/晶元直徑（mm）：50.0±0.5，63.0±0.5；epd(cm-2)：≤1×104。
本專案產品近年來大量用於紅外led和高亮度led，市場前景非常廣。但是目前國內還沒有一家進行該專案產品研發生產的企業，國內企業對該產品的需求主要依賴進口，而進口產品**昂貴，造成生產成本的提高。為緩解這種局面，本公司在原有產品的基礎上，組織研發人員進行了該產品研究開發工作，目前該產品技術已基本成熟，關鍵問題已經解決，產品於2023年9月通過了中國有色金屬工業協會組織的科技成果鑑定，鑑定結果為：
該專案技術、產品質量均達到國際先進水平，同類商品國際市場占有率接近10%。
隨著led在各個應用領域用量的大幅度增長，本專案產品的市場越來越廣闊。為進一步滿足不斷增長的國內外市場對該產品的需求，本企業計畫投資擴大生產規模，增加產量，提高市場占有率，實現產品產業化。
本專案2023年達產，達產期年銷售收入3300萬元，年淨利潤451萬元，上繳利稅592萬元，利稅率達到31.6
技術優勢：專案承擔單位前身是 ，從2023年就開始水平gaas單晶研究，已有40多年研究開發經驗，擁有一支由該領域知名專家教授及長期從事該專案研究的高工組成的研發隊伍，這支隊伍對該專案產品擁有絕對技術優勢。該專案技術路線設計合理，關鍵技術已經突破，其餘技術完全能夠實現，專案產品目前已通過權威部門檢測和鑑定，鑑定結果為國際先進。
專案目前已有部分產品銷售國內外，使用者中包括日本住友電工公司、南韓prowtech公司等世界知名企業和中科鎵英公司等國內使用者，對該產品使用者一致反映良好。
營銷優勢：公司位於廊坊市經濟技術開發區，擁有水平gaas生產廠房，公司研發基地在北京有研總院。公司在水平gaas生產技術方面處於國際先進水平，公司是國內唯一的批量生產水平gaas晶元、gap晶元的企業。
公司成立了由具有多年水平gaas研究開發經驗的專業人員組成的銷售隊伍，這支隊伍熟悉本專案產品各項效能指標，了解客戶需求，比較利於開展工作。同時，由於本專案產品價效比高於國外同類產品，因此在國際上具有強競爭力。目前產品已經進入國際市場，被日本住友電工集團、南韓prowtech公司等世界知名企業應用。
日本住友電工集團一向對外來產品要求極為嚴格，本公司產品能夠大量進入該集團，說明本產品極具競爭力。
管理優勢：我公司擁有一支素質高、業務精、專業搭配合理的管理隊伍，70％的公司員工具有大專以上學歷。管理團隊知識層次高，具有高度的凝聚力、勇於開拓的創新性和豐富的管理經驗。
高素質的員工群體、現代科學的管理方式、可靠的質量保證體系的完美結合，使產品質量得到充分保證。公司在日常生產和管理中，注重提公升員工的質量意識，在員工頭腦中築起了質量保證的長城。公司的質量控制管理體系嚴格按照iso9001施行，公司已於2023年通過該認證。
公司按照建立現代企業制度的要求，制定了一整套完備的管理制度，包括人事管理制度、財務管理制度、銷售管理制度、技術開發獎勵制度等。實行物質獎勵與精神獎勵相結合，獎酬激勵、人才使用激勵與企業文化激勵相結合，短期激勵與長期激勵相結合的綜合激勵方式。自公司成立以來，憑藉自身雄厚的實力和良好的管理體制，在國內外使用者中樹立了良好的形象。
這為本專案的順利實施提供了制度上的保障。
2.1.1專案技術路線
多晶合成——單晶生長——晶體加工
工藝流程為：6nga+6nas—裝管、脫氧—封管—多晶合成（約24小時）—多晶清潔處理—封管（餘as摻雜劑、放籽晶）—裝入單晶爐—單晶生長（7～8天）—（熔料、接籽晶、走車生長單晶、降溫、出爐）—晶體測試
2.1.2工藝及裝置的合理性和成熟性
1、自行設計的hb-gaas單晶生長系統
本專案研發生產採用自行設計的水平砷化鎵單晶生長系統，該生長系統在國際上未見成型產品，本專案單位根據多年工藝、技術積累，選用精密的溫控儀表（歐陸智慧型式溫控儀）和機械傳動系統（雙向導軌和同步進電機帶動精密絲槓組合），可保證在長達7~10天的單晶生長過程中溫控精度±0.5℃，爐體移動速度最低時（2.5㎜/小時）爬行不大於4μm。
採用優質sic管支撐石英反應管使石英反應管長期處於高溫（~1300℃）下時膨脹度不至影響單晶生長（反應管外徑擴大不超過10㎜）。
2、石英舟的預處理技術
hb-gaas單晶生長是在密封於石英反應管中的石英舟中進行的，因此首先要解決的是石英舟與熔體的粘舟問題。只有不粘舟才能保證單晶生長順利，不出多晶、孿晶。生長完成後，晶體易從舟中取出（脫舟良好）；且生長的晶體完整性好（epd符合產品技術指標）。
這個問題曾是困擾hb-gaas單晶生長的乙個較嚴重問題。很多單位曾試用過石英舟表面塗碳，「碳舟」雖可避免粘接問題，但碳易大量摻入gaas晶體成為有害雜質，從而使晶體報廢。本專案承擔單位國瑞公司經多年研究、實踐找到了解決「粘接」問題的良好方法，成為本公司一項獨特的專有技術——石英舟預處理技術,該項技術主要是在適當的溶劑中進行熱處理，它可保證在長達7天的單晶連續生長中，熔體與舟不粘接，單晶生長完成後，單晶順利脫舟。
3、縱向溫度分布技術
通過中高溫熱場的合理配置，提高晶元的縱向均勻性，有利於提高成品率。本專案所設計的水平單晶爐是一種多段式兩溫區爐，只有熱場配置合理即溫度梯度合適才有可能生長出合格單晶，公司技術人員經過反覆實驗、比較、不斷優化，設計出了合理熱場，優化了溫度分布，為提高單晶生長成品率、實現該工藝的產業化創造了又乙個有利條件。
本專案中，單晶生長採用兩步法，即：先合成多晶然後再一次備料生長單晶，備好的多晶放入兩溫區多段加熱爐中生長單晶（謂之無砷端生長技術）。兩溫區爐高溫區溫度為1240～1260℃。
中溫區為1120～1200℃。這種加熱結構既得到所需的溫度分布，又可抑制生長過程中si的汙染。
si汙染是由於舟、石英管都是石英即sio2材料、易於使si併入熔體和單晶中。抑制si汙染的機理是：
在gaas合成和晶體生長中，高溫區發生熔體中的ga與石英反應
4ga（l）+sio2(s)=si(s)+2ga2o(g1)
2ga(l)+ sio2(s)=sio(g)+ga2o(g2)
si(s)+sio2(s)= 2sio(g3)
l．s．g分別表示液、固、氣相。
反應（1）使si進入gaas，反應（3）使部分si與sio2反應生成氣相sio逸出，二者差值，造成gaas中si的併入。
高溫區的氣相ga2o擴散到中溫區發生如下反應：
3 ga2o(g)+as4(g)=ga2o3(s)+4gaas(s4)
sio(g)=sio(s5)
反應（4）消耗了ga2o，使反應（1）向右繼續進行，加劇了si向gaas中的併入。反應（4）與溫度關係密切，如將溫度公升到1100℃以上，反應（4）基本停止，從而可抑制反應（1）向右方進行：故將該溫區溫度維持在1120℃以上。
我們對多段爐的設計，各段爐溫的單獨控制及其協調」配合」控制也進行了反覆實驗研究並不斷進行了優化，對提高單晶生長成品率發揮了重要作用。
單晶生長速度有時也稱為結晶速度（本工藝中視為石英反應管相對於加熱爐的相對移動速度）是另乙個重要的技術引數：因為熔體結晶的快慢與結晶潛熱的產生，正常傳遞密切相關，結晶速度控制不當，會嚴重干擾內加熱爐所形成的溫度分布，進而影響單晶正常生長，本專案在對熱場配置進行優化時，兼顧了採用合適的結晶速度這一重要引數。
4、固液介面特種加熱爐
可很好調整固液介面形狀，這對生長不同晶向晶體、降低位錯密度，提高成品率都十分重要。單晶生長過程中固液介面形狀的控制是提高成品率的關鍵技術。在水平單晶生長過程中，無法完全按器件製造所要求的晶向生長，即晶體生長方向與晶元的晶向有一定的夾角，這導致了水平gaas單晶的切片，一般都要「斜」切（因而切片技術難度較大），為使所切晶元上電學引數（尤其是載流子濃度）均勻分布，固液介面也必須與生長方向成一定角度。
因為雜質（主要是摻雜劑）的分凝是以固液介面為「界線」的，如果單晶生長過程中固液介面與生長方向之間角度和所切晶元晶向與單晶生長方向之間角度不一致，所切晶元上的載流子濃度會形成「濃度梯度」，即得不到均勻分布，這會對在gaas晶元上生長外延材料及器件的成品率和效能造成不良影響。角度不一致還有可能在晶體內部出現熱應力而導致晶體完整性差，使epd增大，從而降低成品率。國內外在水平gaas單晶研究開發中，多年來都是使用管狀加熱爐。
因此，固液介面只能與生長方向垂直，無法得到所需要的偏角α。
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附件2 根據 十二五 國家科技計畫總體部署，為落實 關於進一步加強火炬工作 促進高新技術產業化的指導意見 2012年火炬計畫分為面上專案和重大專案。現就申報工作提出如下要求。一 申報方向 一 面上專案。面上專案是指符合行業和地方發展需求，服務行業和地方發展 支撐行業和地方重點產業發展的高新技術產業化...