AlGaNGaN半导体异质结构材料的高温性质研究进展？

GaN作为第三代半导体材料，因其优良的特性，日益成为研究的热点，在微电子和光电子领域具有十分广阔的应用优势和发展前景。

本论文采用电子回旋共振(ECR)微波等离子体辅助金属有机物化学气相沉积(PAMOCVD)方法，以氮等离子体为氮源，研究了大晶格失配(14％)异质结GaN/Al_2O_3(0001)的低温(700℃)外延生长。为了释放因晶格失配产生的应力，以降低在GaN外延膜中引起的缺陷密度，我们对蓝宝石衬底采用了氢等离子体清洗、氮等离子体氮化以及低温生长缓冲层的方法。我们用X射线衍射(XRD)来表征晶体的结构，用原子力显微镜(AMF)来表征表面形貌。通过高能电子衍射仪(RHEED)、对实验结果进行分析比较，对GaN薄膜的清洗、氮化、缓冲层和外延生长实验参数进行了优化。XRD和AFM的结果表明，我们在蓝宝石衬底上获得了晶质良好的GaN薄膜。实验中采用了氢氮混合等离子体清洗的方法，提高了清洗的质量。文中讨论了氮化层的原子排列点阵相对于蓝宝石衬底(0001)面旋转了30°的机理；解释了在六方相的缓冲层上在较低温度下外延生长GaN的过程中出现立方相GaN的现象。另外，在分析实验流程的特点的基础上，对ES...

GaN,

one

of

the

third

generation

semiconductor

materials,

becomes

the

hot

point

of

research

because

of

its

excellent

characteristics.

It

has

wide

potential

application

and

development

in

the

fields

of

microelectronics

and

optoelectronics.

This

dissertation

presents

the

investigation

on

the

epitaxy

growth

with

large

lattice

mismatch

(14%)

heterostructures

GaN/Al2O3(0001),

by

an

electron

cyclotron

resonance

(ECR)

plasma

assisted

metalorganic

chemical

vapor

deposition

(PAMOCVD)

with

a

nitrogen

plasma

as

a

ni...

【DOI】

CNKI:CDMD:2.2004.094289

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氮化镓（GaN）为便携式产品提供更小、更轻、更高效的台式AC-DC电源。氮化镓（GaN）是一种宽禁带半导体材料。当在电源中使用时，GaN比传统的硅具有更高的效率、更小的尺寸和更轻的重量。传统硅晶体管的损耗有两类，传导损耗和开关损耗。功率晶体管是开关电源功率损耗的主要原因。为了阻止这些损耗，GaN晶体管（取代旧的硅技术）的发展一直受到电力电子行业的关注。

氮化镓在关键领域比硅显示出显著的优势，这使得电源制造商能够显著提高效率。当电流流过晶体管时，开关损耗发生在开关状态的转换过程中。在给定的击穿电压下，GaN提供比硅更小的电阻和随后的开关和传导损耗，因此GaN适配器可以达到95%的效率。

由于GaN器件比硅具有更好的热导率和更高的温度，因此，电源的整体尺寸可能显著减小，可以减少对热管理组件的需求，如大型散热器、机架或风扇。移除这些内部元件，以及增加的开关频率，使得电源不仅更轻，而且更紧凑。

三代半导体——氮化镓

氮化镓（GaN），是由氮和镓组成的一种半导体材料，因为其禁带宽度大于2.2eV,又被称为宽禁带半导体材料，在国内也称为第三代半导体材料。

氮化镓和其他半导体材料对比

上图中我们可以看到，氮化镓比硅禁带宽度大3倍，击穿场强高10倍，饱和电子迁移速度大3倍，热导率高2倍。这些性能提升带来一些的优势就是氮化镓比硅更适合做大功率高频的功率器件，同时体积还更小，功率密度还更大。

氮化镓的优异特性

就如这次小米的快充一样，使得小米65W氮化镓充电器的尺寸仅为56.3mm x 30.8mm x 30.8mm，体积比小米笔记本标配的65W适配器还减小了约48%，约为苹果61W快充充电器的三分之一。

为什么氮化镓快充头可以这么小巧？功率还这么大？

这就是得益于氮化镓材料本身优异的性能，使得做出来的氮化镓比传统硅基IGBT/MOSFET 等芯片面积更小，同时由于更耐高压，大电流，氮化镓芯片功率密度更大，因此功率密度/面积远超硅基，此外由于使用氮化镓芯片后还减少了周边的其他元件的使用，电容，电感，线圈等被动件比硅基方案少的多，进一步缩小的体积，所以本次看到的氮化镓快充头，不仅体积小巧，但是还能提供更强大的功率输出。

传统硅基功率器件和氮化镓MOS对比

除了快充，氮化镓还有其他什么重要应用？

氮化镓材料，目前有三个比较重要的方向，分别是光电领域，包括我们现在常见的LED，以及激光雷达和VCSEL传感器；功率领域，各类电子电力器件应用在快充头，变频器，新能源汽车，消费电子等电子电力转换场景；射频领域，包括5G基站，军事雷达，低轨卫星，航天航空等领域。

为什么氮化镓快充电头这么贵？

本次快充头中除了PD协议成本，其他硬件材料电容电感线圈电源管理IC等之外，相当一部分的成本来自于氮化镓MOS功率芯片。

制造氮化镓MOS的原材料就是氮化镓单晶片，目前单晶2英寸就高达2万多元一片。商业方案中较多的使用硅基氮化镓外延片，但是价格也非常高昂，8英寸的硅基氮化镓也超过1万的售价，而且产能不足，很难买到。硅基氮化镓是同面积的硅片的30多倍。

所以说过于昂贵的原材料导致了氮化镓芯片非常昂贵，最终传到到终端产品就看到高出普通充电头数倍的价格。

氮化镓材料为什么如此昂贵？

氮化镓是自然界没有的物质，完全要靠人工合成。氮化镓没有液态，因此不能使用单晶硅生产工艺的传统直拉法拉出单晶，纯靠气体反应合成。由于反应时间长，速度慢，反应副产物多，设备要求苛刻，技术异常复杂，产能极低，导致氮化镓单晶材料极其难得，因此2英寸售价便高达2万多。商业场景中，更多使用氮化镓异质外延片。

什么叫氮化镓异质外延片？

在氮化镓单晶衬底上长氮化镓外延层我们称为同质外延，在其他衬底材料上长氮化镓我们称为异质外延片。

目前包括蓝宝石，碳化硅，硅等是氮化镓外延片主流的异质衬底材料。

其中蓝宝石基氮化镓外延片只能用来做LED；硅基氮化镓可以做功率器件和小功率的射频；碳化硅基本氮化镓可以制造大功率LED、功率器件和大功率射频芯片。

本次小米发售的快充头，就是硅基氮化镓做的功率器件的一个典型应用场景。

为什么同是外延片，应用差异这么大？

氮化镓外延片的用来制造器件有很多具体的指标，包括晶格缺陷、径向偏差、电阻率、掺杂水平、表面粗糙度、翘曲度等，在不同的衬底材料长的外延层晶体质量差别较大。

其中氮化镓和3C碳化硅，有着非常接近的晶格体系，两者适配度非常高，超过95%，因此碳化硅衬底上长氮化镓外延，外延层质量非常好，可以用来做高端产品，包括大射频功率、大功率器件、大功率LED、激光雷达等。

硅和氮化镓晶体适配度非常低，不到83%，因此硅上无法直接长外延层。需要长多道缓冲层来过渡，因此外延层质量水平就比碳化硅基差不少，因此硅基氮化镓只能用来做小功率射频，中小功率器件。

蓝宝石基氮化镓，因为衬底材料的问题，无法应用到射频和功率领域，只能用作普通的LED灯。

虽然都是氮化镓外延片，但是由于衬底材料的不同，外延层晶体质量差异较大，应用也不尽相同。

蓝宝石片最便宜，硅基次之，碳化硅较贵，氮化镓最贵。

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