一文認識新型半導體GaN材料

發布時間 | 2017-09-05 14:16 分類 | 粉體應用技術點擊量 | 6412

導讀：目前，GaN材料的研究與應用已成為半導體研究的前沿和熱點，是研制微電子器件、光電子器件的新型半導體材料，并被稱為第三代半導體材料。

目前，GaN材料的研究與應用已成為半導體研究的前沿和熱點，是研制微電子器件、光電子器件的新型半導體材料，并被稱為第三代半導體材料。它具有寬的直接帶隙、強的原子鍵、高的熱導率、化學穩定性好（幾乎不被任何酸腐蝕）等性質和強的抗輻照能力，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構。它在一個元胞中有4個原子，原子體積大約為GaAs的一半。

氮化鎵晶體結構

GaN是極穩定的化合物，又是堅硬的高熔點材料。特性如下：

（1）高的化學穩定性。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能較快地腐蝕質量差的GaN，可用于這些質量不高的GaN晶體的缺陷檢測。GaN在HCl或H₂氣下，在高溫下呈現不穩定特性，而在N₂氣下最為穩定。

（2）高熔點。熔點約為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，因為其硬度高，又是一種良好的涂層保護材料。

2、GaN材料的優點

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

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

（3）GaN易與AlN、InN等構成混晶，能制成各種異質結構，已經得到了低溫下遷移率達到2625px²/Vs的2-DEG（因為2-DEG面密度較高，有效地屏蔽了光學聲子散射、電離雜質散射和壓電散射等因素）。

（4）晶格對稱性比較低（為六方纖鋅礦結構或四方亞穩的閃鋅礦結構），具有很強的壓電性（非中心對稱所致）和鐵電性（沿六方c軸自發極化）。

總之，從整體來看，GaN的優點彌補了其缺點，特別是通過異質結的作用，其有效輸運性能并不亞于GaAs，而制作微波功率器件的效果（微波輸出功率密度上）還往往要遠優于現有的一切半導體材料。

不同半導體材料特性對比表

二、GaN材料制備

GaN材料的生長是在高溫下，通過TMGa分解出的Ga與NH₃的化學反應實現的，生長GaN需要一定的生長溫度，且需要一定的NH₃分壓。其可逆的反應方程式為：

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

1、金屬有機物氣相沉積法（MOCVD）

MOCVD是在氣相外延生長的基礎上發展起來的一種新型氣相外延生長技術。在采用MOCVD 法制備GaN 單晶的傳統工藝中，通常以三甲基鎵作為鎵源，氨氣作為氮源，以藍寶石(Al₂O₃)作為襯底，并用氫氣和氮氣的混合氣體作為載氣，將反應物載入反應腔內，加熱到一定溫度下使其發生反應，能夠在襯底上生成GaN 的分子團，在襯底表面上吸附、成核、生長，最終形成一層GaN 單晶薄膜。