氮化鎵技術：材料與生長工藝

逍遙設計自動化

氮化鎵基本特性介紹
% i6 j# z/ P$ q氮化鎵(GaN)技術在功率電子和微電子系統(tǒng)領域展現(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用的卓越性能特征脫穎而出[1]。

GaN屬于寬禁帶(WBG)半導體家族，具有獨特的性質(zhì)。材料的晶體結構對電氣和物理特性起決定性作用。
# `7 G. d8 v* o  U5 i7 r
圖1展示了半導體材料的三種主要晶體結構：(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)纖鋅礦結構。

& i5 Z0 ^1 Y+ l9 g) n, L材料特性與性能
% `9 k4 P, \4 ~& U& ^' F; _GaN的纖鋅礦晶體結構產(chǎn)生獨特的極化效應，可用于器件設計。這種極化效應與寬禁帶特性相結合，實現(xiàn)了高電子遷移率和優(yōu)異的功率處理能力。
* n' i7 U, h# j5 R0 w& f
圖2以雷達圖形式對比了不同半導體材料的標準化特性，突出顯示了GaN的優(yōu)異性能（綠色部分）。
3 S  k7 q  D8 o0 b1 c! ^
與傳統(tǒng)的硅半導體相比，GaN具有以下優(yōu)勢：

更高的擊穿場強（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）

更好的熱導率（>1.7 W/cm-K）


0 e9 r# a; M# y2 p, X
  _2 G3 p, U+ ^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)關系，說明了能帶工程的靈活性。

生長工藝與方法
2 t6 W  ^, c$ R3 V: F9 ?2 qGaN生長主要采用兩種方法：分子束外延(MBE)和金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)。

$ y0 p; ]1 o6 i2 p3 [1. MBE生長：

$ Q& b! t- N- t1 y/ C# I! ]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。
+ f1 G5 z. g) Y8 t, V- B
MBE工藝在超高真空環(huán)境下精確控制分子束。這種技術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。
& v7 R8 D! h: @) x
; Y" T  y% c: I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。

9 X* Q  t0 L7 R3 `7 B3 ^+ S. w2. MOCVD生長：
6 F3 e9 W) t. n) k
4 H! |1 I" x) E8 z$ p: I圖6展示了不同的MOCVD生長設計：(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。
, z' d6 P8 F% r
MOCVD因具有高產(chǎn)量和一致性，已成為商業(yè)生產(chǎn)的標準工藝。該工藝使用金屬有機化合物作為III族元素源，使用氫化物作為V族元素源。

; i( t% C' t! m  r4 \$ u工藝控制與發(fā)展方向
0 r+ ?+ O2 x/ G, v9 T/ o生長工藝控制：

+ l0 l% [, f9 f; ]5 ^' ]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。

GaN生長的成功關鍵在于精確的溫度控制和適當?shù)木彌_層實現(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。
; ^& n- C( {+ z! d7 I2 I" V
1 M" l. i  p0 o1 _5 D盡管具有諸多優(yōu)勢，GaN技術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、碳化硅或藍寶石等異質(zhì)襯底上，每種襯底在晶格匹配、熱導率和成本方面都有各自的優(yōu)缺點。

展望未來，GaN技術正在不斷進步，生長工藝和襯底技術的改進將帶來更好的性能和成本效益。該技術已在功率電子、射頻器件和光電子領域得到應用，隨著技術的成熟，新的應用領域不斷涌現(xiàn)。

這些在GaN材料和工藝方面的技術進步推動了新一代電子器件的發(fā)展，使其能夠在比傳統(tǒng)硅基技術更高的頻率、溫度和功率水平下運行。隨著電子系統(tǒng)不斷發(fā)展，GaN將在功率電子和高頻應用的未來發(fā)展中發(fā)揮關鍵作用。

' o: y- E$ v- @- f( i% ?: l參考文獻
[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.
- @6 h3 @0 w, i7 K
END


" l, \; _, M( t( {軟件申請我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請體驗免費版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
% k0 C, \: q* y0 q點擊左下角"閱讀原文"馬上申請
& `+ Q9 \( W$ i3 _- O2 H
歡迎轉載
: R; q" d5 M" [; W' ?' {& Y
1 o: [% [% a- P轉載請注明出處，請勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！
/ S, P8 j: L6 e/ Z2 ^




- H3 L8 O$ L  F+ s7 p' @" P3 d關注我們

4 f1 ^$ D: V7 {2 E4 N! u

; U0 V. O0 s) S9 G) u; S

$ m: E5 I( r! b. F; o4 a* k

                     


6 j" }* I1 h* M3 w. I! G
關于我們：
  Z) T' G) }7 T/ M, t, s9 ^. \深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導體芯片設計自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設計和仿真軟件，提供成熟的設計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設計與仿真。我們提供特色工藝的半導體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務，廣泛服務于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術與服務。
. m6 [9 F% U2 F# i3 m" a8 n% i: {
http://www.latitudeda.com/
（點擊上方名片關注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）