電源適配器廠家科普氮化鎵GaN的前世今生

目前第三代半導(dǎo)體材料主要有三族化合物半導(dǎo)體材料、碳化硅和氧化物半導(dǎo)體材料，其中三族化合物半導(dǎo)體常見的有氮化鎵和氮化鋁；氧化物半導(dǎo)體材料主要有氧化鋅、氧化鎵和鈣鈦礦等。

第三代半導(dǎo)體材料禁帶寬度大，具有擊穿電場高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點，因此適合制作耐高壓、高頻、高電流的器件，也可以降低器件的功耗。

氮化鎵材料的發(fā)展歷程及MOCVD制備工藝

氮化鎵發(fā)展較晚。1969年日本科學(xué)家Maruska等人采用氫化物氣相沉積技術(shù)在藍(lán)寶石襯底表面沉積出了較大面積的氮化鎵薄膜，但由于材料質(zhì)量較差和P型摻雜難度大，一度被認(rèn)為無應(yīng)用前景。

氮化鎵具有禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導(dǎo)率大、飽和電子漂移速度高和抗輻射能力強(qiáng)等特點，是迄今理論上電光、光電轉(zhuǎn)換效率Z高的材料。

氮化鎵的外延生長方法主要有金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積MOCVD、氫化物氣相外延HVPE、分子束外延MBE。MOCVD生長氮化鎵的基本化學(xué)原理是在反應(yīng)腔中通入蒸汽狀態(tài)的Ga（CH）3和氣態(tài)的NH3，在高溫環(huán)境下發(fā)生一系列反應(yīng)，Z終在襯底表面生成氮化鎵外延層：

MOCVD技術(shù)Z初由Manasevit于1968年提出，之后隨著原材料純度提高及工藝的改進(jìn)，該方法逐漸成為砷化鎵、銦化磷為代表的第二代半導(dǎo)體材料和氮化鎵為代表的三族半導(dǎo)體材料的主要生長工藝。1993年日亞化學(xué)的Nakamura等人用MOCVD方法實現(xiàn)了高質(zhì)量管理InGaN銦鎵氮外延層的制備，由此可見MOCVD在第三代半導(dǎo)體材料中的重要性。

MOCVD的優(yōu)點是反應(yīng)物以氣態(tài)形式進(jìn)入反應(yīng)腔，可以通過精確控制各種氣體流量來控制外延材料的厚度、組分和載流子密度等；第二是反應(yīng)腔中氣體流動快，可以通過改變氣體來獲得陡峭的異質(zhì)結(jié)界面；第三是獲得的雜質(zhì)較少，晶體質(zhì)量高；第四是設(shè)備相對簡單，有利于大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

MOCVD在三族化合物半導(dǎo)體材料制備中的重要性越來越重要，在設(shè)備供應(yīng)方面，除了德國愛思強(qiáng)和美國VECCO，中微公司也實現(xiàn)了重大突破，MOCVD實現(xiàn)了國產(chǎn)替代。

氫化物氣相外延工藝及缺點

實際上Z初氮化鎵的生長方法是氫化物氣相外延HVPE，是Maruska等人Z初用于制作氮化鎵外延層的方法。HVPE反應(yīng)通常在常壓熱石英反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，基本的化學(xué)反應(yīng)是氣態(tài)氯化氫與金屬鎵在低溫環(huán)境下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氣態(tài)的氯化鎵，氯化鎵再與氣態(tài)氨氣在高溫環(huán)境下發(fā)生反應(yīng)，生成氮化鎵薄膜，反應(yīng)副產(chǎn)物氯化氫和氫氣可以以氣體方式回收。

HVPE制備氮化鎵需要經(jīng)過低溫反應(yīng)和高溫反應(yīng)兩步化學(xué)反應(yīng)，因此HVPE反應(yīng)器需要將反應(yīng)腔劃分為低溫區(qū)和高溫區(qū)，同時在這一過程中需要調(diào)整許多參數(shù)以實現(xiàn)氮化鎵薄膜的可控和沉積。

上個世紀(jì)七八十年代HVPE方法廣泛用于氮化鎵生長，但在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)該方法的很多缺陷：制備的氮化鎵存在大量晶體缺陷，晶體質(zhì)量較差，主要是存在空間寄生反應(yīng)，因為HVPE在常壓下運行，大量寄生反應(yīng)的氮化鎵顆粒會沉積在反應(yīng)器中氯化鎵氣體的出口、生長表面和石英玻璃管壁表面，寄生的氮化鎵不僅會消耗掉氯化鎵導(dǎo)致生長速率降低，造成氯化鎵管道損壞，也會導(dǎo)致晶體缺陷。

此外該方法不能很好控制摻雜，也很難實現(xiàn)P型摻雜，因此一度被放棄。不過90年代后HVPE重新被產(chǎn)業(yè)界重視起來，因為其設(shè)備相對簡單，此外技術(shù)的進(jìn)步使得HVPE發(fā)生長氮化鎵的速率較快，容易制得大面積的薄膜，薄膜均勻性也較好。

目前除了MOCVD，MBE分子束外延也成為重要的氮化鎵等半導(dǎo)體材料的生長方法。MBE是在襯底表面生長高質(zhì)量晶體薄膜的外延生長方法，不過需要在高真空甚至超高真空環(huán)境下進(jìn)行。

MBE的優(yōu)點是：雖然通常MBE生長速率不超過1微米/小時，相當(dāng)于每秒或更長時間哪只生長一個單原子層，但容易實現(xiàn)對膜厚、結(jié)構(gòu)和成分的精確控制，容易實現(xiàn)陡峭界面的異質(zhì)結(jié)構(gòu)和量子結(jié)構(gòu)等；第二是外延生長溫度低，降低了界面上因不同熱膨脹系數(shù)而引入的晶格缺陷；第三是相比HVPE和MOCVD的化學(xué)過程，MBE是物理沉積過程，因此不考慮化學(xué)反應(yīng)帶來的雜質(zhì)污染。