1 氮化鎵性質

氮化鎵(GaN)是一種性能穩定的化合物，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。

氮化鎵中主要是共價鍵，由于氮和鎵兩種組分在電負性上的明顯差別，在該化合物中存在相當大的離子成分，它決定了各結構的穩定性。氮化鎵（GaN）化學性質很穩定,硬度強,耐高溫,其熔點約為1700℃，并且具有很高的電離度，在Ⅲ-Ⅴ族化合物中是最高的(0.5或0.43)。GaN是一種導熱性和機械性能都非常優異的半導體材料。到目前為止我們已知的GaN有三種晶體結構，它們分別為纖鋅礦、閃鋅礦和巖鹽礦。通常的情況下纖鋅礦是最穩定的結構。閃鋅礦結構的GaN通常在高溫的條件下會轉變成更加穩定的纖鋅礦結構的GaN。而巖鹽相是GaN的高壓相結構（壓力一般大于37GPa）通常情況下是不容易存在的。

   圖1為纖鋅礦結構GaN的晶胞結構示意圖，它的一個原胞中有四個原子。

圖1

2 氮化鎵單晶的應用

以氮化鎵為襯底可以生長出高質量的氮化鎵外延片，其內部缺陷密度可以降到以藍寶石為襯底的外延片的千分之一，可以有效的降低LED的結溫，讓單位面積亮度提升10倍以上。目前氮化鎵晶片的市場售價也比較高，2英寸單晶片要賣到2-3萬元人民幣。

第三代半導體材料主要以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN）為代表的寬禁帶（Eg＞2.3ev）半導體材料。

目前，氮化鎵已成為最重要、最廣泛應用的半導體材料之一。其光電性能和機械性能使其成為多種應用的理想選擇。

與第一二代半導體材料相比，第三代半導體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導率、更高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力，更適合用于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件，又被成為寬禁帶半導體材料。氮化鎵和碳化硅被并稱為第三代半導體材料的雙雄。

目前，氮化鎵的應用領域以LED、FET、LD、太陽能電池、功率器件等方面為主，LED和FET為熱點研發領域。所涉及的技術領域主要有半導體單晶生長、歐姆接觸、封裝、刻蝕等，其中半導體單晶生長是熱點研究領域，目前常用的方法是MOCVD（金屬有機化學氣相沉積），也稱MOPVE（金屬有機氣相外延）。

2.1 GaN在能源方面的應用

器件的物理特性決定了應用，氮化鎵高禁帶電壓比較高，支持更高的頻率，因此可應用于高壓高功率和寬帶寬的場合。理論上來說，現有的采用傳統工藝的射頻微波應用，氮化鎵都可以有一席之地。但如果考慮到短時間內的話，大功率放大器，大功率開關以及高頻微波級別的功率應用上，將有它的獨特優勢，包括功率放大器、開關、限幅器等。同時在低功率應用中，包括傳統的低噪聲放大器、手機放大器、電源轉換等應用場合中，氮化鎵同樣是適合的。

5G高頻率特性讓氮化鎵（GaN）半導體成為功率放大器市場主流技術，同時，GaN功率元件也開始被大量應用在車聯網及電動車領域。

隨著5G技術即將全面商用，基地臺升級商機龐大，由于5G技術上采用更高操作頻率，業界對于GaN元件將逐步取代橫向擴散金氧半導體（LDMOS）并成為市場主流技術已有高度共識。另外，在手機PA元件部份，3G及4G主要采用GaAs制程，5G因為高頻的關系，讓GaN制程的PA元件很有機會成為市場新主流。

市調機構指出，GaN因具備耐高溫與適合在高頻操作下的優勢，不僅可使晶片面積大幅減少，并能簡化周邊電路的設計。同時，低導通電阻及低切換損失的特性，也能大幅降低車輛運轉時的能源轉換損失，對于電動車續航力的提升有相當的幫助。

在射頻及PA元件、與車用電子等相關晶片市場中，包括恩智浦、英飛凌、德儀等IDM廠位居主導地位，但在GaN技術上，IDM廠反而開始透過晶圓代工廠取得產能。

2.2 GaN在Micro LED中的應用

Micro LED又被稱為m-LED或者微型LED，由發光二極管構成，因此和OLED一樣都屬于自發光技術的屏幕。Micro LED使用的發光化合物不同于當前的OLED顯示屏。之所以叫Micro LED，是因為這種技術的本質是把LED微縮化和矩陣化，把LED單元微縮至小于50微米的級別，從而實現單點驅動自發光。

和現有的OLED技術比起來，Micro LED亮度更高、發光效率更好、但功耗更低。在半導體行業，Micro LED技術或許將是智能設備領域的下一次革命。

由于Micro LED的性能優良，可應用在穿戴式的手表、手機、車用顯示器、擴增實境/虛擬實境、顯示屏及電視……等領域，但因為技術困難及加工成本較高，因此更適合應用在高階的電視、顯示屏及車用顯示器上；由Micro LED的市場規模來看，大尺寸顯示器的應用將會成為主流。預估至2025年應用在大尺寸顯示器的Micro LED產值將會達到19.8億美元，占全體應用的68%比例。

前段時間蘋果公司在加州工廠秘密研究Micro LED之際，就已經搶先在韓國申請了34個專利，業內稱，這或許是智能設備的領域的新一輪革命。2018年2月，三星在CES 2018上推出了Micro LED電視。

ALLOS Semiconductors GmbH, CMO & co-founder, Alexander Loesing發表了題為《Micro LED——制造過程中，在產量和成本上的挑戰》的演講。Alexander分析了為什么Micro-LED非常難以制造。因為Micro-LED非常得小，而且它也非常得薄，它需要面板上有百萬個，2K需要四百萬，對于8K就需要更多，所以所有的這些芯片必須有穩定的工作表現，必須同時工作，沒有缺陷。關于它的尺寸，水平方向做的非常小，垂直方向也要做的非常小，必須拋棄以往芯片的設計，必須向垂直的方向去考慮，傳統的LED它的垂直方向非常厚，但對于Micro-LED它的芯片非常得薄，整個裝配的過程也是非常困難的。

在目前比較火熱的Micro LED中，以藍寶石基板上生長GaN LED Wafer為主。但還是有部分LED廠商致力于GaN on Si技術，希望借此提升波長一致性與厚度均勻性，使得波長更集中，大幅降低磊晶廠的后段檢測成本。

氮化鎵單晶的制備方法:

HVPE 氫化物氣相外延法

氫化物氣相外延法也稱作鹵化物氣相外延法（Halide vapor phase epitaxy,HVPE），可以獲得每小時幾十微米以上的快速生長率，設備結構簡單，生產成本低，十分適合生長GaN厚膜。HVPE法主要包含兩個基本的反應：

這種方法以GaCl為Ⅲ族源，以NH3為Ⅴ族源，Ga舟所在溫區通常為850℃，HCl氣體在H2或N2載氣的攜帶下，通過熔融的金屬Ga，生成揮發性的GaCl，生成的GaCl氣體和NH3氣體分別在載氣H2或N2的攜帶下，流到襯底表面發生匯聚，反應生成GaN。此法生長的GaN膜結構和性質強烈依賴于生長的實驗條件，包括溫度分布、Ⅲ/Ⅴ比、外延片在反應室中的位置、載氣種類的選擇、載氣流量大小等。

優點：采用HVPE法可以快速生長出低位錯密度的厚膜，再將獲得的厚膜作為GaN的外延襯底，采用其它方法（比如MBE或者MOCVD等）進行同質外延，可以獲得高質量的GaN體單晶。

缺點：HVPE的缺點在于很難精確控制膜厚，反應氣體對設備具有腐蝕性，影響GaN材料純度的進一步提高，生長的GaN厚膜無法引入In組分，不能獲得異質結或多元合金。

MBE  分子束外延法

制備GaN材料，屬于超真空生長工藝，它可以分為氣源分子束外延（GSMBE）和金屬有機分子束外延（MOMBE）兩種。GSMBE法直接以Ga的固體升華法為Ⅲ族源，以NH3作為Ⅴ族源，在襯底表面反應生成GaN，可以實現GaN在較低溫度下的生長。MOMBE法則是以Ga的金屬有機物作為Ⅲ族源，以等離子體或離子源中心產生的束流作為Ⅴ族源，在襯底表面反應化合生成GaN。

優點：MOMBE法生長GaN的速率較慢，可以精確控制薄膜厚度，GaN的生長溫度也較低，同時可以獲得高的In組分，生長的成本較低，Ⅲ族源和Ⅴ族源原材料消耗少，制備的GaN純度高。由于存在深能級的補償作用，MBE法獲得的GaN電阻很大，基本表現為絕緣特性。

缺點：MBE法制備的GaN的最大缺點是生長速率太低，一般速度低于0.5μm/小時，典型生長速度為0.1μm/小時。

MOCVD 金屬有機物化學氣相沉積

又稱作金屬有機氣相外延，已經成為被使用最多的，同時生長的GaN材料和器件質量最好的方法。MOCVD法生長速率適中，可以較精確的控制膜厚，特別適合于LED和LD的大規模工業化生產。一般MOCD以Ga的有機物（如三甲基鎵TMGa或者三乙基鎵TEGa）作為Ⅲ族源，以NH3作為Ⅴ族源，在大于1000℃的高溫下進行GaN的生長。在一個分子中同時含有直接共價鍵連接的Ⅲ族原子和N原子的疊氮化合物，具有高揮發性和非自然性，可用作單一源前體，例如（N3）2Ga[(CH3)5NMe2]；而采用二甲基鎵疊氮化合物[(CH3)2GaN3]n和疊二甲基單二甲基鎵[(CH3)2GaNH(N(CH3)2)]2作為前體可以實現低溫（600℃）和低壓生長。以三甲基鎵為鎵源時的反應如下式所示。

優點：MOCVD法生長速率適中，可以較精確的控制膜厚，特別適合于LED和LD的大規模工業化生產。

缺點：由于采用MOCVD法時NH3難于裂解，并易于與Ga的有機物反應時產生附加產物，同時含有Ga的有機原子團是非選擇性的分解，很容易造成貧N和C污染，所以需要改進生長設備、嚴格控制生長條件。MOCVD生長溫度較高，容易引入摻雜物和Ⅲ族金屬。In存在著解析、擴散和分凝等現象，不易獲得高In組分的均勻的GaN材料。另外，采用MOCVD法制備GaN，用作Ⅲ族源的Ga的有機物價格昂貴，而且帶有毒性和可燃性，不利于生產。

GaN粉體材料的合成

波蘭科學家在高溫（1600℃）高壓（15-20kbar）下采用金屬鎵與氮氣直接合成了GaN材料。其反應方程式為：

通過Ga與NH3的化學反應也可實現GaN的合成。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：

河北利福光電技術有限公司目前已經實現了高純超細氮化鎵（GaN）粉體的批量生產，可以為客戶提供超高純超細（大于5N，小于1mm）的氮化鎵粉體材料。

  此外河北利福光電技術有限公司已開發出氮化鐵，氮化鋯，氮化鋰，氮化釩，氮化鍺，氮化銅和氮化銦等氮化物產品40余種，可為客戶定制各種納米和亞微米級的各類氮化物，可應用于LED熒光粉，鋰電池、儲能材料和催化劑等領域。近期，河北利福光電又成功開發了氮化金、氮化銀、氮化鉑等貴金屬氮化物產品，可以滿足批量供貨的需求。

參考文獻

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