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      電源適配器廠家科普氮化鎵GaN的前世今生

      文章來源:顧佰特電源 閱讀人氣:256 發表時間:2022-03-10 15:25:16

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

      第三代半導體材料禁帶寬度大,具有擊穿電場高、熱導率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強等優點,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。

      氮化鎵材料的發展歷程及MOCVD制備工藝

      氮化鎵發展較晚。1969年日本科學家Maruska等人采用氫化物氣相沉積技術在藍寶石襯底表面沉積出了較大面積的氮化鎵薄膜,但由于材料質量較差和P型摻雜難度大,一度被認為無應用前景。

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

      氮化鎵的外延生長方法主要有金屬有機化學氣相沉積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原理是在反應腔中通入蒸汽狀態的Ga(CH)3和氣態的NH3,在高溫環境下發生一系列反應,Z終在襯底表面生成氮化鎵外延層:

      MOCVD技術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,該方法逐漸成為砷化鎵、銦化磷為代表的第二代半導體材料和氮化鎵為代表的三族半導體材料的主要生長工藝。1993年日亞化學的Nakamura等人用MOCVD方法實現了高質量管理InGaN銦鎵氮外延層的制備,由此可見MOCVD在第三代半導體材料中的重要性。

      MOCVD的優點是反應物以氣態形式進入反應腔,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;第二是反應腔中氣體流動快,可以通過改變氣體來獲得陡峭的異質結界面;第三是獲得的雜質較少,晶體質量高;第四是設備相對簡單,有利于大規模產業化生產。

      MOCVD在三族化合物半導體材料制備中的重要性越來越重要,在設備供應方面,除了德國愛思強和美國VECCO,中微公司也實現了重大突破,MOCVD實現了國產替代。

      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反應通常在常壓熱石英反應器內進行,基本的化學反應是氣態氯化氫與金屬鎵在低溫環境下發生化學反應生成氣態的氯化鎵,氯化鎵再與氣態氨氣在高溫環境下發生反應,生成氮化鎵薄膜,反應副產物氯化氫和氫氣可以以氣體方式回收。

      HVPE制備氮化鎵需要經過低溫反應和高溫反應兩步化學反應,因此HVPE反應器需要將反應腔劃分為低溫區和高溫區,同時在這一過程中需要調整許多參數以實現氮化鎵薄膜的可控和沉積。

      上個世紀七八十年代HVPE方法廣泛用于氮化鎵生長,但在應用中發現該方法的很多缺陷:制備的氮化鎵存在大量晶體缺陷,晶體質量較差,主要是存在空間寄生反應,因為HVPE在常壓下運行,大量寄生反應的氮化鎵顆粒會沉積在反應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致生長速率降低,造成氯化鎵管道損壞,也會導致晶體缺陷。

      此外該方法不能很好控制摻雜,也很難實現P型摻雜,因此一度被放棄。不過90年代后HVPE重新被產業界重視起來,因為其設備相對簡單,此外技術的進步使得HVPE發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體材料的生長方法。MBE是在襯底表面生長高質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境下進行。

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

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