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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。
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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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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。
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" 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)。
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5 e8 K( x# j! ~/ H8 l1. MBE生长:
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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
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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。
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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。
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2. MOCVD生长:. c1 b2 _, Y$ W0 {6 _. Q
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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。9 g u$ a2 E0 X* c8 ]4 [. I
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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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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:
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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。
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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。
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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。
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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.
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