氮化镓技术：材料与生长工艺

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氮化镓基本特性介绍
* I8 K6 b* K8 |' ^% D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]。
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, J1 V5 x: _4 p+ r, s6 OGaN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。

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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。

材料特性与性能
GaN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。
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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）。

0 J* o: R% B, n. n与传统的硅半导体相比，GaN具有以下优势：
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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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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。

生长工艺与方法
& f1 D$ O6 t$ x' l0 V1 c2 FGaN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)。
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5 X1 v/ \3 z8 z4 r1. MBE生长：
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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。

: W6 V0 ^9 K- c2 O5 @+ BMBE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。

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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。

: V7 ?* {, ^- C, Z, k: {% v2. MOCVD生长：
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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。
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& k8 Q! V- |& p- _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。
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, `6 b) Y0 M$ N" O3 \: H: d工艺控制与发展方向
) }8 P  V5 y! f8 F! B5 g: i! D生长工艺控制：
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+ f  Q/ d  f5 X) H& @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。

GaN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。

  x- D/ ?) T+ k/ t6 g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。

5 G# K* h$ q5 ^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。
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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。

参考文献
' m0 S" _) D) j$ j, @[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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