氮化鎵技術：材料與生長工藝

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氮化鎵基本特性介紹
氮化鎵(GaN)技術在功率電子和微電子系統(tǒng)領域展現出優(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用的卓越性能特征脫穎而出[1]。

GaN屬于寬禁帶(WBG)半導體家族，具有獨特的性質。材料的晶體結構對電氣和物理特性起決定性作用。
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圖1展示了半導體材料的三種主要晶體結構：(a)金剛石晶格、(b)閃鋅礦晶格和(c)纖鋅礦晶格，GaN通常呈現纖鋅礦結構。

  l: l5 d/ H4 a材料特性與性能
GaN的纖鋅礦晶體結構產生獨特的極化效應，可用于器件設計。這種極化效應與寬禁帶特性相結合，實現了高電子遷移率和優(yōu)異的功率處理能力。

9 t$ {! \' M# o. V3 R0 b8 c圖2以雷達圖形式對比了不同半導體材料的標準化特性，突出顯示了GaN的優(yōu)異性能（綠色部分）。

與傳統(tǒng)的硅半導體相比，GaN具有以下優(yōu)勢：
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更高的擊穿場強（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）

更好的熱導率（>1.7 W/cm-K）
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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關系，說明了能帶工程的靈活性。

生長工藝與方法
6 q$ P- ?  P: ]1 D! k; f0 \GaN生長主要采用兩種方法：分子束外延(MBE)和金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)。

1. MBE生長：

  V9 j' R( ^$ u# @圖4展示了MBE生長系統(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。這種技術特別適合在較低沉積溫度下生長InN或高銦含量的氮化物材料。
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圖5展示了MBE生長模型的示意圖，以GaAs為例說明表面相互作用。
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2. MOCVD生長：

. _# A) l, e9 m0 |, h# s) k圖6展示了不同的MOCVD生長設計：(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。

MOCVD因具有高產量和一致性，已成為商業(yè)生產的標準工藝。該工藝使用金屬有機化合物作為III族元素源，使用氫化物作為V族元素源。

工藝控制與發(fā)展方向
* }% k' I6 z) f3 l7 J! W# V生長工藝控制：

/ E+ K( m3 U* E. m: _+ `圖7展示了MOCVD系統(tǒng)的通用生長工藝，顯示了不同生長階段的溫度變化。

0 n( h1 z' B: x2 n5 j  KGaN生長的成功關鍵在于精確的溫度控制和適當的緩沖層實現。生長工藝通常始于襯底氮化，隨后是緩沖層沉積，最后在高溫下生長主GaN層。

( v! b+ S5 V6 Y8 j4 {5 s盡管具有諸多優(yōu)勢，GaN技術在襯底可用性和成本方面仍面臨挑戰(zhàn)。目前大多數商用GaN器件生長在硅、碳化硅或藍寶石等異質襯底上，每種襯底在晶格匹配、熱導率和成本方面都有各自的優(yōu)缺點。
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展望未來，GaN技術正在不斷進步，生長工藝和襯底技術的改進將帶來更好的性能和成本效益。該技術已在功率電子、射頻器件和光電子領域得到應用，隨著技術的成熟，新的應用領域不斷涌現。

# M. `6 z1 B& g這些在GaN材料和工藝方面的技術進步推動了新一代電子器件的發(fā)展，使其能夠在比傳統(tǒng)硅基技術更高的頻率、溫度和功率水平下運行。隨著電子系統(tǒng)不斷發(fā)展，GaN將在功率電子和高頻應用的未來發(fā)展中發(fā)揮關鍵作用。
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8 o' D9 m% d; P& m參考文獻
& y; M9 D1 w8 k5 k  h[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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