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氮化镓技术:材料与生长工艺

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发表于 2024-11-13 08:01:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
氮化镓基本特性介绍
. g. G  i+ L5 z氮化镓(GaN)技术在功率电子和微电子系统领域展现出优异性能。随着传统硅基器件接近物理极限,GaN凭借适用于高功率和高频应用的卓越性能特征脱颖而出[1]。, ]- A- x4 S* L, s2 f  k3 F4 F

' X! b. X: K- j4 HGaN属于宽禁带(WBG)半导体家族,具有独特的性质。材料的晶体结构对电气和物理特性起决定性作用。* R5 R: [0 j: t

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9 p1 c0 _4 r. E- g- ^( m  E图1展示了半导体材料的三种主要晶体结构:(a)金刚石晶格、(b)闪锌矿晶格和(c)纤锌矿晶格,GaN通常呈现纤锌矿结构。
" S# K/ P( R& a' m. X) e- w; s+ {) x( P/ b6 J, J, a
材料特性与性能
2 a$ T- v8 r, T% vGaN的纤锌矿晶体结构产生独特的极化效应,可用于器件设计。这种极化效应与宽禁带特性相结合,实现了高电子迁移率和优异的功率处理能力。) @) y0 V( W* w

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" j8 v0 x$ r- w- S. {" Y图2以雷达图形式对比了不同半导体材料的标准化特性,突出显示了GaN的优异性能(绿色部分)。; o; y! V* m) B/ m, a* ~

4 I# i' Q# m  `4 S/ h与传统的硅半导体相比,GaN具有以下优势:
! Y5 W7 d8 ]2 d' f- K; m! a0 s8 V
  • 更高的击穿场强(3.3 MV/cm,而硅为0.3 MV/cm)
  • 优异的电子迁移率(2000 cm2/Vs)
  • 更快的电子速度(2.7 x 10? cm/s)
  • 更好的热导率(>1.7 W/cm-K)
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    % V3 B3 R. c! D- Y' Y

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    5 |% e% {( a! e0 P% @4 U; \图3展示了III族氮化物材料系统的禁带能量与晶格常数关系,说明了能带工程的灵活性。
    / C' S) c) ~9 a0 Q0 p
    " Y$ W! Z; }2 S. @- ]生长工艺与方法
    : ^  d" g) q0 p5 BGaN生长主要采用两种方法:分子束外延(MBE)和金属有机化学气相沉积(MOCVD)。
    $ @$ D6 C4 U! _, U' l0 Z
    5 e8 K( x# j! ~/ H8 l1. MBE生长:
    - a" w. x! A' d' q$ ~- F

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    / O9 O" m% |9 K图4展示了MBE生长系统的示意图,包括主要部件和腔室布局。9 ^7 A. ^& u( R9 o, ?$ Y, c
    " T& c2 s+ B( C0 J$ Q
    MBE工艺在超高真空环境下精确控制分子束。这种技术特别适合在较低沉积温度下生长InN或高铟含量的氮化物材料。
    * w7 s" X# [4 p7 i

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    $ W  K1 @, t6 ^( H; v* G图5展示了MBE生长模型的示意图,以GaAs为例说明表面相互作用。
    - _% \3 z+ u7 e( S+ q( Y6 z2 C0 m/ S4 t$ V
    2. MOCVD生长:. c1 b2 _, Y$ W0 {6 _. Q

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    # r5 N5 J+ g) S& H6 D& O6 r
    图6展示了不同的MOCVD生长设计:(a)传统MOCVD气流、(b)双流系统(惰性气体垂直于正常气流)、(c)气流垂直于衬底。9 g  u$ a2 E0 X* c8 ]4 [. I
    9 d  m4 `+ c8 D1 j) }, u
    MOCVD因具有高产量和一致性,已成为商业生产的标准工艺。该工艺使用金属有机化合物作为III族元素源,使用氢化物作为V族元素源。
    $ M2 E2 C1 M, @" j) L% Y, o6 r# Q
    工艺控制与发展方向
    2 c" q  O/ N  W$ U8 m- ?0 C# g% S; w生长工艺控制:
    1 }# w+ {- V: i" H

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    # z1 d% Q) U# D  m1 m
    图7展示了MOCVD系统的通用生长工艺,显示了不同生长阶段的温度变化。
      Q5 R' T0 E- s2 X+ x! c% A
    2 j; x1 X$ U1 C! P, {2 [5 Q7 z0 GGaN生长的成功关键在于精确的温度控制和适当的缓冲层实现。生长工艺通常始于衬底氮化,随后是缓冲层沉积,最后在高温下生长主GaN层。
    6 g/ Q% h  \+ T2 f% V" m! |8 q: d3 l" N' H  K, b) j' U: j5 X# R
    尽管具有诸多优势,GaN技术在衬底可用性和成本方面仍面临挑战。目前大多数商用GaN器件生长在硅、碳化硅或蓝宝石等异质衬底上,每种衬底在晶格匹配、热导率和成本方面都有各自的优缺点。
    , {* s8 ]+ P* h8 L& a+ R8 g7 W2 E1 Q# k2 m! t
    展望未来,GaN技术正在不断进步,生长工艺和衬底技术的改进将带来更好的性能和成本效益。该技术已在功率电子、射频器件和光电子领域得到应用,随着技术的成熟,新的应用领域不断涌现。3 F3 w, W7 @3 ?; |' x

    / v( Q. ^0 B7 C! f2 E  S( X6 q  s这些在GaN材料和工艺方面的技术进步推动了新一代电子器件的发展,使其能够在比传统硅基技术更高的频率、温度和功率水平下运行。随着电子系统不断发展,GaN将在功率电子和高频应用的未来发展中发挥关键作用。. R+ k4 ?# \" D

    $ I: p# i: e, Z6 S5 k* C( Q0 g参考文献
    5 V5 E0 D/ _" [% }# S' P[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.
    . @* A3 D6 u0 f, ^2 n8 p0 a9 l) a' R4 V, D) E* k  m& I
    END, t1 d5 T/ S3 U4 U; x9 o8 C
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    转载请注明出处,请勿修改内容和删除作者信息!9 s7 y, d4 D  }; P3 p# [8 y9 @5 [- o
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    . K( [) M: B/ I3 m5 j关于我们:' k* [& @5 C/ \* d: {( ~2 L5 M. E7 w( m
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