氮化鎵技術(shù)：材料與生長工藝

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氮化鎵基本特性介紹
, p! O9 J% @4 C" t- t氮化鎵(GaN)技術(shù)在功率電子和微電子系統(tǒng)領(lǐng)域展現(xiàn)出優(yōu)異性能。隨著傳統(tǒng)硅基器件接近物理極限，GaN憑借適用于高功率和高頻應(yīng)用的卓越性能特征脫穎而出[1]。

GaN屬于寬禁帶(WBG)半導(dǎo)體家族，具有獨(dú)特的性質(zhì)。材料的晶體結(jié)構(gòu)對電氣和物理特性起決定性作用。
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8 V& J/ T, M! k! E& q圖1展示了半導(dǎo)體材料的三種主要晶體結(jié)構(gòu)：(a)金剛石晶格、(b)閃鋅礦晶格和(c)纖鋅礦晶格，GaN通常呈現(xiàn)纖鋅礦結(jié)構(gòu)。

材料特性與性能
GaN的纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生獨(dú)特的極化效應(yīng)，可用于器件設(shè)計(jì)。這種極化效應(yīng)與寬禁帶特性相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高電子遷移率和優(yōu)異的功率處理能力。

圖2以雷達(dá)圖形式對比了不同半導(dǎo)體材料的標(biāo)準(zhǔn)化特性，突出顯示了GaN的優(yōu)異性能（綠色部分）。
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  c  }7 L6 U. x( g1 T* C與傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體相比，GaN具有以下優(yōu)勢：

更高的擊穿場強(qiáng)（3.3 MV/cm，而硅為0.3 MV/cm）

優(yōu)異的電子遷移率（2000 cm2/Vs）

更快的電子速度（2.7 x 10? cm/s）

更好的熱導(dǎo)率（>1.7 W/cm-K）


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圖3展示了III族氮化物材料系統(tǒng)的禁帶能量與晶格常數(shù)關(guān)系，說明了能帶工程的靈活性。
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生長工藝與方法
GaN生長主要采用兩種方法：分子束外延(MBE)和金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)。
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1. MBE生長：

/ U' f6 Q$ b  V. B: `8 @7 X圖4展示了MBE生長系統(tǒng)的示意圖，包括主要部件和腔室布局。

" d; _% w; I% c4 @1 `  A; O+ ~MBE工藝在超高真空環(huán)境下精確控制分子束。這種技術(shù)特別適合在較低沉積溫度下生長InN或高銦含量的氮化物材料。

圖5展示了MBE生長模型的示意圖，以GaAs為例說明表面相互作用。
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. I& e! s/ j; r0 y2. MOCVD生長：

圖6展示了不同的MOCVD生長設(shè)計(jì)：(a)傳統(tǒng)MOCVD氣流、(b)雙流系統(tǒng)（惰性氣體垂直于正常氣流）、(c)氣流垂直于襯底。

MOCVD因具有高產(chǎn)量和一致性，已成為商業(yè)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)工藝。該工藝使用金屬有機(jī)化合物作為III族元素源，使用氫化物作為V族元素源。
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: d. d0 j) x% n+ L8 X工藝控制與發(fā)展方向
* |0 {7 k# Z: F生長工藝控制：

8 v! m( x' H* m; m- v  T圖7展示了MOCVD系統(tǒng)的通用生長工藝，顯示了不同生長階段的溫度變化。

$ ]4 x% U0 n$ F! oGaN生長的成功關(guān)鍵在于精確的溫度控制和適當(dāng)?shù)木彌_層實(shí)現(xiàn)。生長工藝通常始于襯底氮化，隨后是緩沖層沉積，最后在高溫下生長主GaN層。

# h) k; F. V5 H- p盡管具有諸多優(yōu)勢，GaN技術(shù)在襯底可用性和成本方面仍面臨挑戰(zhàn)。目前大多數(shù)商用GaN器件生長在硅、碳化硅或藍(lán)寶石等異質(zhì)襯底上，每種襯底在晶格匹配、熱導(dǎo)率和成本方面都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

展望未來，GaN技術(shù)正在不斷進(jìn)步，生長工藝和襯底技術(shù)的改進(jìn)將帶來更好的性能和成本效益。該技術(shù)已在功率電子、射頻器件和光電子領(lǐng)域得到應(yīng)用，隨著技術(shù)的成熟，新的應(yīng)用領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)。
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% t4 L7 V% |% R& Y/ m+ U! X這些在GaN材料和工藝方面的技術(shù)進(jìn)步推動了新一代電子器件的發(fā)展，使其能夠在比傳統(tǒng)硅基技術(shù)更高的頻率、溫度和功率水平下運(yùn)行。隨著電子系統(tǒng)不斷發(fā)展，GaN將在功率電子和高頻應(yīng)用的未來發(fā)展中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
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參考文獻(xiàn)
[1] C.-C. Lin and S.-C. Shen, "GaN Material Properties," in GaN Technology Materials, Manufacturing, Devices and Design for Power Conversion, Springer Nature Switzerland AG, 2024, ch. 2, pp. 13-28.

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