氮化鎵(GaN)是什么

　　氮化鎵(GaN)是什么

　　氮化鎵是一種無機物，化學式GaN，是氮和鎵的化合物，是一種直接能隙（direct bandgap）的半導體，自1990年起常用在發(fā)光二極管中。此化合物結構類似纖鋅礦，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體泵浦固體激光器（Diode-pumped solid-state laser）的條件下，產生紫光（405nm）激光。

　　GaN，中文名:氮化鎵，常溫常壓下是纖鋅礦結構。是現今半導體照明中藍光發(fā)光二極管的核心材料。工業(yè)上采用MOCVD和HVPE設備來外延生長。

　　基本信息

　　中文名氮化鎵外文名GaN點群P63mc

　　屬于第三代半導體材料禁帶寬度3.39~3.41eV目錄1物理結構2電信

　　物理結構

　　GaN 半導體材料有二種基本結構:纖鋅礦(Wurtzite, WZ)和閃鋅礦(Zinc blende, ZB)。常溫常壓下惟有纖鋅礦結構為穩(wěn)定相。纖鋅礦結構由兩套六角密堆積子格子沿c 軸方向平移3c/8 套構而形成，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 =通用訪問網絡,一個電信系統(tǒng)擴展移動語音、數據和IP多媒體子系統(tǒng)/會話發(fā)起協議(IMS / SIP)應用程序通過IP網絡。)

　　GaN材料的生長是在高溫下，通過TMGa分解出的Ga與NH3的化學反應實現的，其可逆的反應方程式為：

　　Ga+NH3=GaN+3/2H2

　　生長GaN需要一定的生長溫度，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。本工作采用的設備是AP—MOCVD，反應器為臥式，并經過特殊設計改裝。用國產的高純TMGa及NH3作為源程序材料，用DeZn作為P型摻雜源，用（0001）藍寶石與（111）硅作為襯底采用高頻感應加熱，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作為生長區(qū)的調節(jié)。用HALL測量、雙晶衍射以及室溫PL光譜作為GaN的質量表征。要想生長出完美的GaN，存在兩個關鍵性問題，一是如何能避免NH3和TMGa的強烈寄生反應，使兩反應物比較完全地沉積于藍寶石和Si襯底上，二是怎樣生長完美的單晶。為了實現第一個目的，設計了多種氣流模型和多種形式的反應器，最后終于摸索出獨特的反應器結構，通過調節(jié)器TMGa管道與襯底的距離，在襯底上生長出了GaN。同時為了確保GaN的質量及重復性，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。對于第二個問題，采用常規(guī)兩步生長法，經過高溫處理的藍寶石材料，在550℃，首先生長250A0左右的GaN緩沖層，而后在1050℃生長完美的GaN單晶材料。對于 Si襯底上生長GaN單晶，首先在1150℃生長AlN緩沖層，而后生長GaN結晶。生長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P型GaN，然而將材料生長完畢后要在800℃左右和在N2的氣氛下進行高溫退火，才能實現P型摻雜。本實驗采用 Zn作摻雜劑，DeZ2n/TMGa=0.15，生長溫度為950℃，將高溫生長的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，可望實現P型摻雜。

　　但是，MOCVD使用的Ga源是TMGa，也有副反應物產生，對GaN膜生長有害，而且，高溫下生長，雖然對膜生長有好處，但也容易造成擴散和多相膜的相分離。中村等人改進了MOCVD裝置，他們首先使用了TWO—FLOWMOCVD（雙束流MOCVD）技術，并應用此法作了大量的研究工作，取得成功。雙束流MOCVD生長示意圖如圖1所示。反應器中由一個H2+NH3+TMGa組成的主氣流，它以高速通過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GaN膜的最好值。

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

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

　　從化學命名就可以看出，這是由氮和鎵兩種離子組成的一種半導體材料，在物理特性上，其禁帶寬度大于2.2eV，又被稱為寬禁帶半導體材料，也就是國內常說的第三代半導體材料的一種，實際上市場關注的并不只是氮化鎵，而是第三代半導體材料。

　　根據媒體的消息，中國正在規(guī)劃將大力支持發(fā)展第三代半導體產業(yè)寫入“十四五”規(guī)劃之中，計劃在2021到2025年的五年之內，舉全國之力，在教育、科研、開發(fā)、融資、應用等等各個方面對第三代半導體發(fā)展提供廣泛支持，以期實現產業(yè)獨立自主，不再受制于人。