氮化镓的材料生长

GaN材料的生长是在高温下，通过TMGa分解出的Ga与NH3的化学反应实现的，其可逆的反应方程式为：

Ga+NH3=GaN+3/2H2

生长GaN需要一定的生长温度，且需要一定的NH3分压。人们通常采用的方法有常规MOCVD(包括APMOCVD、LPMOCVD)、等离子体增强MOCVD（PE—MOCVD）和电子回旋共振辅助MBE等。所需的温度和NH3分压依次减少。本工作采用的设备是AP—MOCVD，反应器为卧式，并经过特殊设计改装。用国产的高纯TMGa及NH3作为源程序材料，用DeZn作为P型掺杂源，用（0001）蓝宝石与（111）硅作为衬底采用高频感应加热，以低阻硅作为发热体，用高纯H2作为MO源的携带气体。用高纯N2作为生长区的调节。用HALL测量、双晶衍射以及室温PL光谱作为GaN的质量表征。要想生长出完美的GaN，存在两个关键性问题，一是如何能避免NH3和TMGa的强烈寄生反应，使两反应物比较完全地沉积于蓝宝石和Si衬底上，二是怎样生长完美的单晶。为了实现第一个目的，设计了多种气流模型和多种形式的反应器，最后终于摸索出独特的反应器结构，通过调节器TMGa管道与衬底的距离，在衬底上生长出了GaN。同时为了确保GaN的质量及重复性，采用硅基座作为加热体，防止了高温下NH3和石墨在高温下的剧烈反应。对于第二个问题，采用常规两步生长法，经过高温处理的蓝宝石材料，在550℃，首先生长250A0左右的GaN缓冲层，而后在1050℃生长完美的GaN单晶材料。对于 Si衬底上生长GaN单晶，首先在1150℃生长AlN缓冲层，而后生长GaN结晶。生长该材料的典型条件如下：

NH3：3L/min

TMGa：20μmol/minV/Ⅲ=6500

N2：3～4L/min

H2：2<1L/min

人们普遍采用Mg作为掺杂剂生长P型GaN，然而将材料生长完毕后要在800℃左右和在N2的气氛下进行高温退火，才能实现P型掺杂。本实验采用 Zn作掺杂剂，DeZ2n/TMGa=0.15，生长温度为950℃，将高温生长的GaN单晶随炉降温，Zn具有P型掺杂的能力，因此在本征浓度较低时，可望实现P型掺杂。

但是，MOCVD使用的Ga源是TMGa，也有副反应物产生，对GaN膜生长有害，而且，高温下生长，虽然对膜生长有好处，但也容易造成扩散和多相膜的相分离。中村等人改进了MOCVD装置，他们首先使用了TWO—FLOWMOCVD（双束流MOCVD）技术，并应用此法作了大量的研究工作，取得成功。双束流MOCVD生长示意图如图1所示。反应器中由一个H2+NH3+TMGa组成的主气流，它以高速通过石英喷平行于衬底通入，另一路由H2+N2 形成辅气流垂直喷向衬底表面，目的是改变主气流的方向，使反应剂与衬底表面很好接触。用这种方法直接在α—Al2O3基板（C面）生长的GaN膜，电子载流子浓度为1×1018/cm3，迁移率为200cm2/v·s，这是直接生长GaN膜的最好值。

随着市场对半导体性能的要求不断提高，第三代半导体等新型化合物材料凭借其性能优势开始崭露头角，成为行业未来重要增长点。

相对于第一代（硅基）半导体，第三代半导体禁带宽度大，电导率高、热导率高。第三代半导体的禁带宽度是第一代和第二代半导体禁带宽度的近3倍，具有更强的耐高压、高功率能力。

氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)并称为第三代半导体材料的双雄，由于性能不同，二者的应用领域也不相同。

氮化镓、高电流密度等优势，可显著减少电力损耗和散热负载，迅速应用于变频器、稳压器、变压器、无线充电等领域，是未来最具增长潜质的化合物半导体。

与GaAs和InP等高频工艺相比，氮化镓器件输出的功率更大；与LDCMOS和SiC等功率工艺相比，氮化镓的频率特性更好。

随着行业大规模商用，GaN生产成本有望迅速下降，进一步刺激GaN器件渗透，有望成为消费电子领域下一个杀手级应用。

GaN主要应用于生产功率器件，目前氮化镓器件有三分之二应用于军工电子，如军事通讯、电子干扰、雷达等领域。

在民用领域，氮化镓主要被应用于通讯基站、功率器件等领域。氮化镓基站PA的功放效率较其他材料更高，因而能节省大量电能，且其可以几乎覆盖无线通讯的所有频段，功率密度大，能够减少基站体积和质量。

氮化镓在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。随着5G高频通信的商业化，GaN将在电信宏基站、真空管在雷达和航空电子应用中占有更多份额。

根据Yole估计，大多数Sub 6GHz的蜂窝网络都将采用氮化镓器件，因为LDMOS无法承受如此之高的频率，而砷化镓对于高功率应用又非理想之选。

同时，由于较高的频率会降低每个基站的覆盖范围，需要安装更多的晶体管，因此市场规模将迅速扩大。

Yole预测，GaN器件收入目前占整个市场20%左右，到2025年将占到50%以上，氮化镓功率器件规模有望达到4.5亿美元。

从产业链方面来看，氮化镓分为衬底、外延片和器件环节。

尽管碳化硅被更多地作为衬底材料（相较于氮化镓），国内仍有从事氮化镓单晶生长的企业，主要有苏州纳维、东莞中镓、上海镓特和芯元基等。

从事氮化镓外延片的国内厂商主要有三安光电、赛微电子、海陆重工、晶湛半导体、江苏能华、英诺赛科等。

从事氮化镓器件的厂商主要有三安光电、闻泰 科技 、赛微电子、聚灿光电、乾照光电等。

GaN技术的难点在于晶圆制备工艺，欧美日在此方面优势明显。由于将GaN晶体熔融所需气压极高，须采用外延技术生长GaN晶体来制备晶圆。

其中日本住友电工是全球最大GaN晶圆生产商，占据了90%以上的市场份额。GaN全球产能集中于IDM厂商，逐渐向垂直分工合作模式转变。美国Qorvo、日本住友电工、中国苏州能讯等均以IDM模式运营。

近年来随着产品和市场的多样化，开始呈现设计业与制造业分工的合作模式。

尤其在GaN电力电子器件市场，由于中国台湾地区的台积电公司和世界先进公司开放了代工产能，美国Transphorm、EPC、Navitas、加拿大GaN Systems等设计企业开始涌现。

在射频器件领域，目前LDMOS（横向扩散金属氧化物半导体）、GaAs（砷化镓）、GaN（氮化镓）三者占比相差不大，但据Yoledevelopment预测，至2025年，砷化镓市场份额基本维持不变的情况下，氮化镓有望替代大部分LDMOS份额，占据射频器件市场约50%的份额。

GaAs芯片已广泛应用于手机/WiFi等消费品电子领域，GaN PA具有最高功率、增益和效率，但成本相对较高、工艺成熟度略低，目前在近距离信号传输和军工电子方面应用较多。

经过多年的发展，国内拥有昂瑞微、华为海思、紫光展锐、卓胜微、唯捷创芯等20多家射频有源器件供应商。

根据2019年底昂瑞微董事长发表的题为《全球5G射频前端发展趋势和中国公司的应对之策》的报告显示，截至报告日，国内厂家在2G/3G市场占有率高达95%；在4G方面有30%的占有率，产品以中低端为主，销售额占比仅有10%。

目前我国半导体领域为中美 科技 等领域摩擦中的卡脖子方向，是中国 科技 崛起不可回避的环节，产业链高自主、高可控仍是未来的重点方向。第三代半导体相对硅基半导体偏低投入、较小差距有望得到重点支持，并具备弯道超车的可能。

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