氮化鎵(GaN)是什么

　　氮化鎵是一種無(wú)機(jī)物，化學(xué)式GaN，是氮和鎵的化合物，是一種直接能隙（direct bandgap）的半導(dǎo)體，自1990年起常用在發(fā)光二極管中。此化合物結(jié)構(gòu)類似纖鋅礦，硬度很高。氮化鎵的能隙很寬，為3.4電子伏特，可以用在高功率、高速的光電元件中，例如氮化鎵可以用在紫光的激光二極管，可以在不使用非線性半導(dǎo)體泵浦固體激光器（Diode-pumped solid-state laser）的條件下，產(chǎn)生紫光（405nm）激光。

　　GaN，中文名:氮化鎵，常溫常壓下是纖鋅礦結(jié)構(gòu)。是現(xiàn)今半導(dǎo)體照明中藍(lán)光發(fā)光二極管的核心材料。工業(yè)上采用MOCVD和HVPE設(shè)備來(lái)外延生長(zhǎng)。

　　基本信息

　　中文名氮化鎵外文名GaN點(diǎn)群P63mc

　　屬于第三代半導(dǎo)體材料禁帶寬度3.39~3.41eV目錄1物理結(jié)構(gòu)2電信

　　物理結(jié)構(gòu)

　　GaN 半導(dǎo)體材料有二種基本結(jié)構(gòu):纖鋅礦(Wurtzite, WZ)和閃鋅礦(Zinc blende, ZB)。常溫常壓下惟有纖鋅礦結(jié)構(gòu)為穩(wěn)定相。纖鋅礦結(jié)構(gòu)由兩套六角密堆積子格子沿c 軸方向平移3c/8 套構(gòu)而形成，所屬空間群為或P63mc。

　　GAN=Generic access networks ，a telecommunication system that extends mobile voice, data and IP Multimedia Subsystem/Session Initiation Protocol (IMS/SIP) applications over IP networks.(GAN =通用訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò),一個(gè)電信系統(tǒng)擴(kuò)展移動(dòng)語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和IP多媒體子系統(tǒng)/會(huì)話發(fā)起協(xié)議(IMS / SIP)應(yīng)用程序通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)。)

　　GaN材料的生長(zhǎng)是在高溫下，通過(guò)TMGa分解出的Ga與NH3的化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，其可逆的反應(yīng)方程式為：

　　Ga+NH3=GaN+3/2H2

　　生長(zhǎng)GaN需要一定的生長(zhǎng)溫度，且需要一定的NH3分壓。人們通常采用的方法有常規(guī)MOCVD(包括APMOCVD、LPMOCVD)、等離子體增強(qiáng)MOCVD（PE—MOCVD）和電子回旋共振輔助MBE等。所需的溫度和NH3分壓依次減少。本工作采用的設(shè)備是AP—MOCVD，反應(yīng)器為臥式，并經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)改裝。用國(guó)產(chǎn)的高純TMGa及NH3作為源程序材料，用DeZn作為P型摻雜源，用（0001）藍(lán)寶石與（111）硅作為襯底采用高頻感應(yīng)加熱，以低阻硅作為發(fā)熱體，用高純H2作為MO源的攜帶氣體。用高純N2作為生長(zhǎng)區(qū)的調(diào)節(jié)。用HALL測(cè)量、雙晶衍射以及室溫PL光譜作為GaN的質(zhì)量表征。要想生長(zhǎng)出完美的GaN，存在兩個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題，一是如何能避免NH3和TMGa的強(qiáng)烈寄生反應(yīng)，使兩反應(yīng)物比較完全地沉積于藍(lán)寶石和Si襯底上，二是怎樣生長(zhǎng)完美的單晶。為了實(shí)現(xiàn)第一個(gè)目的，設(shè)計(jì)了多種氣流模型和多種形式的反應(yīng)器，最后終于摸索出獨(dú)特的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)器TMGa管道與襯底的距離，在襯底上生長(zhǎng)出了GaN。同時(shí)為了確保GaN的質(zhì)量及重復(fù)性，采用硅基座作為加熱體，防止了高溫下NH3和石墨在高溫下的劇烈反應(yīng)。對(duì)于第二個(gè)問(wèn)題，采用常規(guī)兩步生長(zhǎng)法，經(jīng)過(guò)高溫處理的藍(lán)寶石材料，在550℃，首先生長(zhǎng)250A0左右的GaN緩沖層，而后在1050℃生長(zhǎng)完美的GaN單晶材料。對(duì)于 Si襯底上生長(zhǎng)GaN單晶，首先在1150℃生長(zhǎng)AlN緩沖層，而后生長(zhǎng)GaN結(jié)晶。生長(zhǎng)該材料的典型條件如下：

　　NH3：3L/min

　　TMGa：20μmol/minV/Ⅲ=6500

　　N2：3～4L/min

　　H2：2<1L/min

　　人們普遍采用Mg作為摻雜劑生長(zhǎng)P型GaN，然而將材料生長(zhǎng)完畢后要在800℃左右和在N2的氣氛下進(jìn)行高溫退火，才能實(shí)現(xiàn)P型摻雜。本實(shí)驗(yàn)采用 Zn作摻雜劑，DeZ2n/TMGa=0.15，生長(zhǎng)溫度為950℃，將高溫生長(zhǎng)的GaN單晶隨爐降溫，Zn具有P型摻雜的能力，因此在本征濃度較低時(shí)，可望實(shí)現(xiàn)P型摻雜。

　　但是，MOCVD使用的Ga源是TMGa，也有副反應(yīng)物產(chǎn)生，對(duì)GaN膜生長(zhǎng)有害，而且，高溫下生長(zhǎng)，雖然對(duì)膜生長(zhǎng)有好處，但也容易造成擴(kuò)散和多相膜的相分離。中村等人改進(jìn)了MOCVD裝置，他們首先使用了TWO—FLOWMOCVD（雙束流MOCVD）技術(shù)，并應(yīng)用此法作了大量的研究工作，取得成功。雙束流MOCVD生長(zhǎng)示意圖如圖1所示。反應(yīng)器中由一個(gè)H2+NH3+TMGa組成的主氣流，它以高速通過(guò)石英噴平行于襯底通入，另一路由H2+N2 形成輔氣流垂直噴向襯底表面，目的是改變主氣流的方向，使反應(yīng)劑與襯底表面很好接觸。用這種方法直接在α—Al2O3基板（C面）生長(zhǎng)的GaN膜，電子載流子濃度為1×1018/cm3，遷移率為200cm2/v·s，這是直接生長(zhǎng)GaN膜的最好值。

　　第三代半導(dǎo)體材料以氮化鎵、碳化硅、氧化鋅、金剛石為代表，是5G時(shí)代的主要材料，其中氮化鎵和碳化硅的市場(chǎng)和發(fā)展空間最大。

　　受到外圍市場(chǎng)和國(guó)際環(huán)境的影響，A股近期走勢(shì)非常弱，但有一個(gè)新概念受到了市場(chǎng)的熱炒，那就是氮化鎵。炒作往往是盲目的，很多人其實(shí)根本不知道這是一種什么物質(zhì)，先科普一下氮化鎵（GaN）。

　　從化學(xué)命名就可以看出，這是由氮和鎵兩種離子組成的一種半導(dǎo)體材料，在物理特性上，其禁帶寬度大于2.2eV，又被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料，也就是國(guó)內(nèi)常說(shuō)的第三代半導(dǎo)體材料的一種，實(shí)際上市場(chǎng)關(guān)注的并不只是氮化鎵，而是第三代半導(dǎo)體材料。

　　根據(jù)媒體的消息，中國(guó)正在規(guī)劃將大力支持發(fā)展第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)寫入“十四五”規(guī)劃之中，計(jì)劃在2021到2025年的五年之內(nèi)，舉全國(guó)之力，在教育、科研、開(kāi)發(fā)、融資、應(yīng)用等等各個(gè)方面對(duì)第三代半導(dǎo)體發(fā)展提供廣泛支持，以期實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)獨(dú)立自主，不再受制于人。