氮化鎵技術(shù)：材料與生長工藝

逍遙設(shè)計自動化

氮化鎵基本特性介紹
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]。

4 x6 \4 e) d6 A$ {1 D; S  ]6 T* h3 s/ nGaN屬于寬禁帶(WBG)半導(dǎo)體家族，具有獨特的性質(zhì)。材料的晶體結(jié)構(gòu)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(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)。
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材料特性與性能
GaN的纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生獨特的極化效應(yīng)，可用于器件設(shè)計。這種極化效應(yīng)與寬禁帶特性相結(jié)合，實現(xiàn)了高電子遷移率和優(yōu)異的功率處理能力。

; A" T9 m1 v8 i' P& l圖2以雷達圖形式對比了不同半導(dǎo)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）。
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與傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體相比，GaN具有以下優(yōu)勢：

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(dǎo)率（>1.7 W/cm-K）

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* s1 x, q& ^1 W4 @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，說明了能帶工程的靈活性。
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生長工藝與方法
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)。
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  ^  M3 @& s- ]3 t6 L3 ]: C' ~1. MBE生長：
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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。

2 i- X0 k  X" BMBE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：
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圖6展示了不同的MOCVD生長設(shè)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。

# B: S+ \/ t4 GMOCVD因具有高產(chǎn)量和一致性，已成為商業(yè)生產(chǎn)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。
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工藝控制與發(fā)展方向
生長工藝控制：

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。
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GaN生長的成功關(guān)鍵在于精確的溫度控制和適當?shù)木彌_層實現(xiàn)。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。
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盡管具有諸多優(yōu)勢，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器件生長在硅、碳化硅或藍寶石等異質(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。

9 ~% s) t3 ?4 b, H展望未來，GaN技術(shù)正在不斷進步，生長工藝和襯底技術(shù)的改進將帶來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(shù)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(yīng)用的未來發(fā)展中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

% J& ]7 D5 ?/ L7 r+ m" Y0 c參考文獻
[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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