氮化鎵的應用及如何制備

概述^[1-2]^

進入90年代以后，第二代半導體砷化鎵、磷化銦等具有高遷移率的半導體材料逐漸出現，使得有線通訊技術迅速發展。隨后在本世紀初，碳化硅，氮化鎵等具有寬禁帶的第三代半導體材料也相繼問世，將當代的信息技術推向了更高的臺階。

第三代半導體材料的禁帶寬度很大，可以達到2.3eV以上，如氮化鎵的禁帶寬度高達3.39eV，氮化鋁甚至超過了6eV。氮化鎵作為第三代半導體的代表，其化學性質非常穩定，在室溫下不溶于水，酸和堿，且融點高達1700℃，硬度較大。

由以上基本性質就可知用氮化鎵做成的材料具有耐高溫，耐酸堿腐蝕和抗外力變形等優越的性能。目前，氮化鎵和氮化鎵基半導體材料已經成為了世界各國研究的熱點。氮化鎵的合成與制備方法目前對氮化鎵的主要研究對象之一，單晶氮化鎵薄膜和納米氮化鎵的合成方法是研究的重中之重。

應用^[3]^

1. 氮化鎵技術與軍事應用

當前軍事與航天領域是氮化鎵技術最大的市場。最早就是在美國國防部的推動下，開始了氮化鎵技術的研究，慢慢地就行成了現在GaN器件的市場。據統計，軍事和航天領域占據了GaN器件總市場的40%，最大應用市場是雷達和電子戰系統。

2016年3月，愛國者導彈防御系統美國雷神公司宣布采用了最新的基于GaN技術的相控陣天線系統。之前的愛國者導彈防御系統的雷達是采用的被動電子掃描陣列系統，現在的雷達系統改為了基于GaN技術的主動電子掃描陣列(AESA)，基于GaN技術的主動電子掃描陣列將提供給愛國者導彈防御系統360度無死角的雷達搜索制導能力。

包括現在的機載火控雷達、彈載導引頭、艦載預警防空雷達等等，越來越多的用到了基于GaN技術的相控陣天線系統。現在這些GaN技術已經慢慢的正從軍用轉為民用。例如，汽車無人駕駛系統、60GHz頻段的Wi-Fi技術、無線通信基站、還有就是5G 通信。

2. 氮化鎵技術與民品應用

雖然現在在通信基站里面逐漸有了GaN器件，但要把GaN器件運用在普通手機上，還需要很長的時間。當前爆炸式增長的數據流量，移動通信運營商正在竭力滿足。

根據瑞典愛立信公司的預測，從2018年至2023年，全球移動通信數據流量以每年45%增長，今后移動通信運營商如不采用GaN技術，有可能將無法滿足用戶的需求。4.5G技術，移動通信運營商公布新標準LTE AdvancedPro。LTEAdvancedPro4.5G技術最多組合32個載波單元，同時會整合大規模多人多出技術和非授權波段LTE技術。

目前大規模多人多出技術已經在通信基站中被應用，就是通過很多根天線來提升通信容量。載波聚合和大規模多人多出技術要求通信基站必須逐步地采用性能更優異的功率放大器。

通信基站中以前所用的射頻功率放大器主要基于硅Si的LDMOS技術，但硅Si的LDM0S技術的極限頻率是無法超過3.5GHz，同時硅Si的LDMOS技術也無法滿足視頻數據所需要的300MHz以上更寬的帶寬。綜上所述，通信基站已經開始采用氮化鎵GaN器件來替代硅Si的LDMOS器件。

硅Si的LDMOS器件物理特性上已經到達了極限，這就是氮化鎵GaN器件進入民品市場的原因。隨著爆炸式增長的數據流量，通信基站越來越需要更高峰值功率、更寬帶寬以及更高頻率的器件，這就使得氮化鎵GaN器件應用于通信基站成為必然。

制備^[2]^

1. 氮化鎵薄膜制備

關于GaN薄膜的合成技術，近年來在文獻中有很多的報導。由于GaN的熔點很高，且飽和蒸汽壓較高，在自然界中無法以單晶形式存在，而且用一般的體單晶生長方法來制備薄膜也相當困難，必須采用外延法進行制備。MOCVD，MBE，HVPE等是比較傳統的GaN薄膜制備方法。

1）MOCVD法：MOCVD（金屬有機物氣相沉積法）是在氣相外延生長的基礎上發展起來的一種新型氣相外延生長技術。在采用MOCVD法制備GaN單晶的傳統工藝中。

通常以三甲基鎵作為鎵源，氨氣作為氮源，以藍寶石(Al2O3)作為襯底，并用氫氣和氮氣這種兩種氣體的混合氣體作為載氣，將反應物載入反應腔內，加熱到一定溫度下使其發生反應，能夠在襯底上生成GaN的分子團，在襯底表面上吸附、成核、生長，最終形成一層GaN單晶薄膜。

采用MOCVD法制備的產量大，生長周期短，適合用于大批量生產。但生長完畢后需要進行退火處理，最后得到的薄膜可能會存在裂紋，會影響產品的質量。

2）MBE法：用MBE法（分子束外延法）制備GaN與MOCVD法類似，主要的區別在于鎵源的不同。MBE法的鎵源通常采用Ga的分子束，NH3作為氮源，制備方法與MOCVD法相似，也是在襯底表面反應生成GaN。用該方法可以在較低的溫度下實現GaN的生長，一般為700℃左右。較低的溫度可以有效減少反應設備中NH3的揮發程度，但低溫使得分子束與NH3的反應速率減小。

較小的反應速率可以在制備過程中對生成GaN膜的厚度進行精確控制，有利于對該工藝中的生長機理進行深入研究，但對于外延層較厚的膜來說反應時間會比較長，在生產中發揮的效率欠佳，因此該方法只能用于一次制備少量的GaN薄膜，尚不能用于大規模生產。