1. GaN的晶體結構

到目前為止我們已知的GaN有三種晶體結構，它們分別為纖鋅礦（Wurtzite）、閃鋅礦（Zincblende）和巖鹽礦（Rocksalt）。通常的情況下纖鋅礦是最穩定的結構。目前學術上在薄膜的外延生長中主要以藍寶石、Si、砷化鎵、氧化鎂等的立方相結構作為襯底，以（011）面為基面有可能得到比較穩定的閃鋅礦結構的氮化鎵納米材料。但是閃鋅礦結構的GaN通常在高溫的條件下會轉變成更加穩定的纖鋅礦結構的GaN。而巖鹽相是GaN的高壓相結構（壓力一般大于37GPa）通常情況下是不容易存在的。

如圖1為GaN的纖鋅礦結構圖，纖鋅礦結構GaN所對應的空間群結構是P63mc（C46V）。這種結構的氮化鎵是六角晶胞結構，即每個晶胞中含有6個N原子和6個Ga原子，晶格常數有a和c兩個。Wurtzite結構氮化鎵存在兩套密排（HCP）子晶格，分別僅包含Ga原子或僅包含N原子，然后它們沿c軸相互錯開5/8c（c為晶格常數）。這種結構在高壓的情況下是有可能發生相變從而轉變為巖鹽礦結構的GaN（如圖3所示）的。但是學術界關于相變壓力有不同的說法，是存在一定的異議的，但是一般情況下認為相變壓力在30-40GPa之間，但是GaN的納米結構相變壓力會大些，一般在60GPa左右，但是這種相變是一種可逆的過程，一旦系統中的壓力消失以后，巖鹽礦結構的GaN又會重新轉變成通常更加穩定的纖鋅礦結構。

如圖2所示為閃鋅礦結構GaN，這種GaN結構具有立方晶胞，每個晶胞中都含有4個Ga原子和四個N原子。立方結構氮化鎵所對應的空間群結構為F-43m（T2d）。閃鋅礦結構的氮化鎵的原子在晶胞中的排布和金剛石結構的原子排布很相似，都是兩個相互套穿后沿體對角線錯開1/4的面心立方格子，而每個原子則可以看作是處在以其四個最臨近原子為頂角組成的四面體的中心位置。同樣閃鋅礦結構的氮化鎵在高溫的情況下也是不穩定的是有可能轉化成巖鹽礦結構的GaN或者纖鋅礦結構氮化鎵的。

圖1 纖鋅礦結構的GaN

圖2 閃鋅礦結構的GaN

圖3 巖鹽礦結構GaN

Wurtzite結構的GaN與Zincblende結構的GaN在結構上是非常相似的，每個Ga原子周圍都是有四個N原子，每個N原子周圍又都是有四個Ga原子。這兩種結構最主要的區別是在于最密面的堆積方式有所不同。在六方結構中（001）面是沿［001］方向以ABABABAB排列的，而在立方結構中（111）面是沿［111］方向以ABCABC排列的。

2. GaN的基本性質

氮化鎵通常情況下為白色或者微黃色的固體粉末，是一種極其穩定的化合物，又是堅硬的高熔點材料，熔點大約為1700℃，氮化鎵具有很強的電離度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的。通常情況下氮化鎵結構是六方纖鋅礦結構，它的一個元胞中有四個原子，原子體積約為砷化鎵原子體積的一半，因為氮化鎵材料的硬度高，其又是一種很好的圖層保護材料。氮化鎵不溶于水、酸，而在熱堿中會緩慢溶解，氫氧化鈉、磷酸和硫酸能較快的腐蝕質量比較差的氮化鎵，這點可以用來檢測氮化鎵的晶體缺陷。氮化鎵與氯化氫氣體或氫氣高溫共存時呈現不穩定特性，而在氮氣氣氛下是最穩定的。氮化鎵在空氣中加熱到800℃以上開始氧化，氧化生成氧化鎵，而在1050℃以上開始化學鍵斷裂分解。在電學性質方面，氮化鎵的電學性質是影響氮化鎵電子器件的主要因素。未有意摻雜的氮化鎵在任何情況下都是呈n型的，最好樣品的電子濃度大約為4×1016/cm3。一般情況下所制備的p型氮化鎵都是高補償型的。很多科研小組都從事過這方面的研究工作，其中中村小組報道了氮化鎵材料在室溫下和液氮溫度下的電子最高移動速率分別是μn=600cm2/v·s和μn=1500cm2/v·s，而相應的載流子濃度分別是n=4×1016/cm3和n=8×1015/cm3。近年來報道的金屬有機物氣相沉積氮化鎵層的電子濃度約為4×1016/cm3。未摻雜情況下，載流子濃度可控制在1014~1020/cm3的范圍內。另外，通過p型摻雜工藝、鎂的低能電子束輻照或者退火處理，已能將氮化鎵摻雜濃度控制在1011~1020/cm3的范圍內。在光學性質方面，學術上已經發現了氮化鎵是具有多種不同的發光機制的，并且得到了在不同波長下的多個發光峰。到目前為止，我們知道的氮化鎵材料的發光機制包括以下幾種分別是帶間躍遷發光、帶邊躍遷發光、激子復合發光、雜質或缺陷能級躍遷引起的發光等。隨著研究的深入，氮化鎵材料必將在藍光和紫光發射器件上的有更深層次的應用。