氮化鎵技術(shù)：材料與生長(zhǎng)工藝

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

氮化鎵基本特性介紹
  J- C. `" y" H  b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]。

1 a, I: T+ t+ k  R5 V) u' CGaN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(duì)電氣和物理特性起決定性作用。
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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
+ {5 E' r: j; `% ^0 ]6 a! U7 [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(duì)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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9 [2 Z. m( W: X! v與傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體相比，GaN具有以下優(yōu)勢(shì)：

更高的擊穿場(chǎng)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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; t! R- K8 t+ A9 E4 G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(shuō)明了能帶工程的靈活性。

3 R: u( e1 K. y6 w( x8 i& e生長(zhǎng)工藝與方法
GaN生長(zhǎng)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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% c, v5 C, l8 i: b. f8 Z$ s1. MBE生長(zhǎng)：
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圖4展示了MBE生長(zhǎng)系統(tǒng)的示意圖，包括主要部件和腔室布局。

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(zhǎng)InN或高銦含量的氮化物材料。
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圖5展示了MBE生長(zhǎng)模型的示意圖，以GaAs為例說(shuō)明表面相互作用。

2. MOCVD生長(zhǎng)：

, `8 c9 n/ ?6 u5 j圖6展示了不同的MOCVD生長(zhǎng)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。
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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。

) u, y, Q% i2 X; I% I* ?  E4 P7 |工藝控制與發(fā)展方向
7 T# G3 u9 M& l# b0 O1 O& y生長(zhǎng)工藝控制：
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  q  r1 v2 Q1 ~8 I" b圖7展示了MOCVD系統(tǒng)的通用生長(zhǎng)工藝，顯示了不同生長(zhǎng)階段的溫度變化。

5 w: e' |9 m0 ^* R8 `- SGaN生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)主GaN層。

盡管具有諸多優(yōu)勢(shì)，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(zhǎng)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)。
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% F+ l' p$ ~- B' q展望未來(lái)，GaN技術(shù)正在不斷進(jìn)步，生長(zhǎng)工藝和襯底技術(shù)的改進(jìn)將帶來(lái)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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這些在GaN材料和工藝方面的技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)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(lái)發(fā)展中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
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  Q8 g* d( {, `2 e' x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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