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
4 V0 `1 j' z# w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]。
0 S: z' |3 D) d( |
6 n# d3 a: K6 h# Y+ y6 |: C& |GaN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。
7 r( ^) u& _0 U. Q. I/ Y+ L( G, O
* H' i- q1 T5 z7 s# I  b$ ?3 r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
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。
/ y; D( Z/ ^' k2 U3 V3 u/ j5 u
. t# |  `% F9 I) m& v$ d; Y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）。
1 i* g% |! U( a" e0 L
4 r. y7 }3 E9 X; j! ~與傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體相比，GaN具有以下優(yōu)勢(shì)：
* P7 ?, D4 h9 Y

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）

6 h' {0 @$ O2 b( {: G- w: T; d& ~' ^

- q" v# I+ b  P8 I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。
9 Z; U% Q: ^4 y1 @) K" B' f7 k
生長(zhǎng)工藝與方法
7 V- j3 `" q( q# a  p6 `: s4 EGaN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)。
4 m3 ?- N1 h6 e- O- b5 @0 H
1. MBE生長(zhǎng)：

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。
/ h1 _  p' T& [* ~! y
& Q, g& Q: b5 d; c, iMBE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。

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。

) D. ~/ ?& @! ]* |2. MOCVD生長(zhǎng)：
/ U9 u7 K% {& i2 z! t3 F% g: `# y# y+ I
: I2 k. ~' }6 Q7 z0 e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。
$ d" G4 Y. p+ I* U. s! E
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。
% f" |9 c0 f- A, B  y) Y4 Z
/ J4 h$ _; w' I; Q9 r工藝控制與發(fā)展方向
生長(zhǎng)工藝控制：
) j7 L. y+ o2 y8 I6 ^9 o( |* t
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。

9 @, e+ a& |  L0 F& d7 K$ KGaN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)。
2 P) w  M! x& k) _
4 u0 X) }  {1 p+ f' k, r+ N+ X0 G2 g; M  I' _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)。
8 w2 W" F0 S1 h# y) U+ y( g
* o9 o5 o% ~) J2 A+ n/ H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。

. |. l+ d5 R7 D' `6 b' Y  g3 k% \參考文獻(xiàn)
* {1 L* V) ?: }6 m' Z$ C  D[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.

/ z; w0 \1 \- o; P: {7 s: k6 HEND

9 m$ z% i/ l6 P# c/ H
2 u4 G% q9 `0 Z* u( O% }$ ?1 M軟件申請(qǐng)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(qǐng)?bào)w驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無(wú)論是研究還是商業(yè)應(yīng)用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
$ X. s: n" S) ?1 _( y& f; ?點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請(qǐng)

歡迎轉(zhuǎn)載

轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，請(qǐng)勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！
; Y, B: n  z5 j) B0 h8 b
2 \8 J7 k$ Q1 C  L
8 N1 s5 X9 a3 C; a5 M# o% Y
" W# R. a! I+ v5 t1 e
) v* b" I$ t7 V  p# i( [4 ~7 D3 l
' _! ^  K& j: E3 v, V: y關(guān)注我們
/ e6 @7 U- \6 B/ |$ P

' @% `& S1 Z( P/ a) l8 ^

: W" B. f+ U2 j& _* V, Z$ n% }1 D; [

                     
# [- c+ i4 L! Y


: u" Q: @' l+ B3 P6 [. ~9 T關(guān)于我們：
深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
( O9 n/ W# e% ]( u9 w
9 ^1 E% w/ w; {http://www.latitudeda.com/
（點(diǎn)擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）