氮化镓技术：材料与生长工艺

逍遥设计自动化

氮化镓基本特性介绍
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]。

: q9 |7 \( b0 }% Q  E7 J- ~GaN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
6 \* o' N+ u1 a9 UGaN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）。

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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1 E7 I8 ?* F4 h0 Q8 i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
GaN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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1. MBE生长：
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) {9 B1 q( h/ m9 b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。

2 F+ L" U6 ?/ t, x% JMBE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。

2. 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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/ b7 `1 i: F2 b: vMOCVD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
生长工艺控制：

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: ]: j" M" X. b9 w! y' J% 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。
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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。
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7 @8 j+ N+ f5 x" z) Q2 `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。

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。

) P+ {- ?# @! u% y$ a参考文献
[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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