目前，GaN材料的研究與應(yīng)用已成為半導(dǎo)體研究的前沿和熱點(diǎn)，是研制微電子器件、光電子器件的新型半導(dǎo)體材料，并被稱為第三代半導(dǎo)體材料。它具有寬的直接帶隙、強(qiáng)的原子鍵、高的熱導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性好（幾乎不被任何酸腐蝕）等性質(zhì)和強(qiáng)的抗輻照能力，在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應(yīng)用方面有著廣闊的前景。

一、GaN材料概述

1、GaN材料特性

GaN晶體一般是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。它在一個(gè)元胞中有4個(gè)原子，原子體積大約為GaAs的一半。

氮化鎵晶體結(jié)構(gòu)

GaN是極穩(wěn)定的化合物，又是堅(jiān)硬的高熔點(diǎn)材料。特性如下：

（1）高的化學(xué)穩(wěn)定性。在室溫下，GaN不溶于水、酸和堿，而在熱的堿溶液中以非常緩慢的速度溶解。NaOH、H₂SO₄和H₃PO₄能較快地腐蝕質(zhì)量差的GaN，可用于這些質(zhì)量不高的GaN晶體的缺陷檢測(cè)。GaN在HCl或H₂氣下，在高溫下呈現(xiàn)不穩(wěn)定特性，而在N₂氣下最為穩(wěn)定。

（2）高熔點(diǎn)。熔點(diǎn)約為1700℃。

（3）高的電離度。在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5或0.43）。

（4）高硬度。在大氣壓力下，因?yàn)槠溆捕雀撸质且环N良好的涂層保護(hù)材料。

2、GaN材料的優(yōu)點(diǎn)

（1）禁帶寬度大（3.4eV），熱導(dǎo)率高（1.3W/cm-K），則工作溫度高，擊穿電壓高，抗輻射能力強(qiáng)。

（2）導(dǎo)帶底在Γ點(diǎn)，而且與導(dǎo)帶的其他能谷之間能量差大，則不易產(chǎn)生谷間散射，從而能得到很高的強(qiáng)場(chǎng)漂移速度（電子漂移速度不易飽和）。

（3）GaN易與AlN、InN等構(gòu)成混晶，能制成各種異質(zhì)結(jié)構(gòu)，已經(jīng)得到了低溫下遷移率達(dá)到2625px²/Vs的2-DEG（因?yàn)?/span>2-DEG面密度較高，有效地屏蔽了光學(xué)聲子散射、電離雜質(zhì)散射和壓電散射等因素）。

（4）晶格對(duì)稱性比較低（為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)或四方亞穩(wěn)的閃鋅礦結(jié)構(gòu)），具有很強(qiáng)的壓電性（非中心對(duì)稱所致）和鐵電性（沿六方c軸自發(fā)極化）。

總之，從整體來(lái)看，GaN的優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)了其缺點(diǎn)，特別是通過(guò)異質(zhì)結(jié)的作用，其有效輸運(yùn)性能并不亞于GaAs，而制作微波功率器件的效果（微波輸出功率密度上）還往往要遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有的一切半導(dǎo)體材料。

不同半導(dǎo)體材料特性對(duì)比表

二、GaN材料制備

GaN材料的生長(zhǎng)是在高溫下，通過(guò)TMGa分解出的Ga與NH₃的化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，生長(zhǎng)GaN需要一定的生長(zhǎng)溫度，且需要一定的NH₃分壓。其可逆的反應(yīng)方程式為： 

目前，通常采用的方法有常規(guī)金屬有機(jī)物氣相沉積法（包括APMOCVD、LPMOCVD、等離子體增強(qiáng)MOCVD等）、分子束外延法和氫化物氣相外延法。

1、金屬有機(jī)物氣相沉積法（MOCVD）

MOCVD是在氣相外延生長(zhǎng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型氣相外延生長(zhǎng)技術(shù)。在采用MOCVD 法制備GaN 單晶的傳統(tǒng)工藝中，通常以三甲基鎵作為鎵源，氨氣作為氮源，以藍(lán)寶石(Al₂O₃)作為襯底，并用氫氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w作為載氣，將反應(yīng)物載入反應(yīng)腔內(nèi)，加熱到一定溫度下使其發(fā)生反應(yīng)，能夠在襯底上生成GaN 的分子團(tuán)，在襯底表面上吸附、成核、生長(zhǎng)，最終形成一層GaN 單晶薄膜。

該方法優(yōu)點(diǎn)：制備的產(chǎn)量大，生長(zhǎng)周期短，適合用于大批量生產(chǎn)。

缺點(diǎn)是：生長(zhǎng)完畢后需要進(jìn)行退火處理，最后得到的薄膜可能會(huì)存在裂紋，會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量。

2、分子束外延法 （MBE）

MBE 法制備GaN 與MOCVD法類似，主要的區(qū)別在于鎵源的不同。MBE 法的鎵源通常采用Ga 的分子束，NH₃ 作為氮源，制備方法與MOCVD 法相似，也是在襯底表面反應(yīng)生成GaN。

該方法優(yōu)點(diǎn)是：（1）可以在較低的溫度下實(shí)現(xiàn)GaN 的生長(zhǎng)，一般為700 ℃左右；（2）可以在制備過(guò)程中對(duì)生成GaN 膜的厚度進(jìn)行精確控制，有利于對(duì)該工藝中的生長(zhǎng)機(jī)理進(jìn)行深入研究。

缺點(diǎn)是：反應(yīng)時(shí)間會(huì)比較長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低，因此不適合大規(guī)模生產(chǎn)。

3、氫化物氣相外延法（HVPE）

HVPE通常以鎵的氯化物GaCl₃ 為鎵源，NH₃ 為氮源，在襯底上以1000 ℃左右的溫度生長(zhǎng)出GaN 晶體。

優(yōu)點(diǎn)是：生成的GaN晶體質(zhì)量比較好，且在較高的溫度下生長(zhǎng)速度快。

缺點(diǎn)是：高溫反應(yīng)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)成本和技術(shù)要求都比較高。

GaN制備方法對(duì)比表

三、GaN材料應(yīng)用

由于對(duì)高速、高溫和大功率半導(dǎo)體器件需求的不斷增長(zhǎng)，使得氮化鎵材料器件逐漸被半導(dǎo)體市場(chǎng)應(yīng)用。

1、新能源領(lǐng)域

在可再生能源領(lǐng)域，在將風(fēng)電和太陽(yáng)能電力接入電網(wǎng)以及減少輸電損耗方面，GaN材料都發(fā)揮了極其重要的作用；綠色能源、電動(dòng)汽車、綠色電子照明等新興領(lǐng)域正在成為功率器件市場(chǎng)應(yīng)用的新熱點(diǎn)，需求強(qiáng)勁。

2、智能電網(wǎng)領(lǐng)域

GaN材料功率半導(dǎo)體在提高整個(gè)電力供應(yīng)鏈，從發(fā)電、輸配電到最后的用電的能效方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

3、信息通訊設(shè)備領(lǐng)域

增強(qiáng)型氮化鎵電晶體表現(xiàn)出高耐輻射性能，從而適用于通訊和科學(xué)衛(wèi)星的功率和通訊系統(tǒng)；點(diǎn)到點(diǎn)通信、衛(wèi)星通信、各種雷達(dá)和新型工業(yè)/醫(yī)療應(yīng)用都將從這些大功率氮化鎵器件的應(yīng)用中獲益。

4、國(guó)防軍工領(lǐng)域

氮化鎵射頻器件產(chǎn)品性能在寬帶、效率、高頻等三個(gè)方面全面超越GaAs 器件，主要用于航空航天、軍事雷達(dá)、衛(wèi)星等高端高性能應(yīng)用場(chǎng)景，例如在航空航天領(lǐng)域用于高溫下工作的傳感器、電子控制系統(tǒng)以及功率電子器件等，戰(zhàn)略位置顯著。

作者：李波濤