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氮化鎵技術(shù):材料與生長(zhǎng)工藝

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氮化鎵基本特性介紹
3 N3 a) f4 U+ }% m氮化鎵(GaN)技術(shù)在功率電子和微電子系統(tǒng)領(lǐng)域展現(xiàn)出優(yōu)異性能。隨著傳統(tǒng)硅基器件接近物理極限,GaN憑借適用于高功率和高頻應(yīng)用的卓越性能特征脫穎而出[1]。8 {2 `( @0 y7 j, k; f1 G
- }1 Y$ _6 n  r# |+ g* |9 G
GaN屬于寬禁帶(WBG)半導(dǎo)體家族,具有獨(dú)特的性質(zhì)。材料的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)電氣和物理特性起決定性作用。/ ~' a" Y! J7 \. L

) A" k  D' R7 R: Q) g& h# H圖1展示了半導(dǎo)體材料的三種主要晶體結(jié)構(gòu):(a)金剛石晶格、(b)閃鋅礦晶格和(c)纖鋅礦晶格,GaN通常呈現(xiàn)纖鋅礦結(jié)構(gòu)。! e( k# W& S% ?

3 w. {2 K& r% e8 v: p材料特性與性能) f1 s# O0 `9 @3 Z$ J1 Q% [
GaN的纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生獨(dú)特的極化效應(yīng),可用于器件設(shè)計(jì)。這種極化效應(yīng)與寬禁帶特性相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了高電子遷移率和優(yōu)異的功率處理能力。
* f. U. t8 |% ~1 B% ?' u 2 v+ w' }8 u3 o) M/ a
圖2以雷達(dá)圖形式對(duì)比了不同半導(dǎo)體材料的標(biāo)準(zhǔn)化特性,突出顯示了GaN的優(yōu)異性能(綠色部分)。+ D9 D9 E+ M) d

8 O$ o) C5 G8 j" z  V& @! b/ u- e! N) f與傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體相比,GaN具有以下優(yōu)勢(shì):6 S4 }" _1 w# m9 t, F
  • 更高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)(3.3 MV/cm,而硅為0.3 MV/cm)
  • 優(yōu)異的電子遷移率(2000 cm2/Vs)
  • 更快的電子速度(2.7 x 10? cm/s)
  • 更好的熱導(dǎo)率(>1.7 W/cm-K): l; [! V2 O7 a  g! d

    , L! b( Z# }+ @
    5 |  R+ g' z# l! ]2 \, r% @
    # h: c1 D4 D: o, `1 x- v6 j圖3展示了III族氮化物材料系統(tǒng)的禁帶能量與晶格常數(shù)關(guān)系,說(shuō)明了能帶工程的靈活性。
    # [' N4 b: O9 l- W3 h* S$ w  k1 J" ~! e3 p2 j7 R" u( s5 F: H# X7 t
    生長(zhǎng)工藝與方法! v8 z3 _2 r. r/ [
    GaN生長(zhǎng)主要采用兩種方法:分子束外延(MBE)和金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)。$ [9 a4 {5 l9 U5 Z& g8 u! w) R
    . }2 @5 H$ j7 b2 r# l, c
    1. MBE生長(zhǎng):
    ; K  s, w% T/ P; r& ~  x
    : w8 [8 y3 A- N2 f& d( ^9 d圖4展示了MBE生長(zhǎng)系統(tǒng)的示意圖,包括主要部件和腔室布局。
    7 V& O$ \5 u, @; w% l3 k# X; e; o: `* _, t( G
    MBE工藝在超高真空環(huán)境下精確控制分子束。這種技術(shù)特別適合在較低沉積溫度下生長(zhǎng)InN或高銦含量的氮化物材料。
    $ k6 E8 p# y' V3 g. E4 {5 X! O: @ # n; d9 J; A8 F9 @
    圖5展示了MBE生長(zhǎng)模型的示意圖,以GaAs為例說(shuō)明表面相互作用。, ^- Q( M. V; E, L

    $ |/ x+ s/ P3 z. U/ g% Q$ ~2. MOCVD生長(zhǎng):% z% j7 z) o2 P( K
    0 |, \3 u! I! x2 S
    圖6展示了不同的MOCVD生長(zhǎng)設(shè)計(jì):(a)傳統(tǒng)MOCVD氣流、(b)雙流系統(tǒng)(惰性氣體垂直于正常氣流)、(c)氣流垂直于襯底。. V" P4 ?- I  f/ P/ i" m1 M. w

    , y, h) |4 e6 z3 u- [- lMOCVD因具有高產(chǎn)量和一致性,已成為商業(yè)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)工藝。該工藝使用金屬有機(jī)化合物作為III族元素源,使用氫化物作為V族元素源。
    # R5 R4 z$ K) i; u2 _/ ]
    % Z7 x$ r" a" R( g1 |工藝控制與發(fā)展方向
    ; n. g! X1 z; O  ~生長(zhǎng)工藝控制:
    + z( Q, U2 l# ~+ s 7 E4 s& I6 v2 h. ^
    圖7展示了MOCVD系統(tǒng)的通用生長(zhǎng)工藝,顯示了不同生長(zhǎng)階段的溫度變化。
    % k+ W# i" L: n& i; N3 e  a
    8 i! a  R; ^; u6 L. Q0 |$ BGaN生長(zhǎng)的成功關(guān)鍵在于精確的溫度控制和適當(dāng)?shù)木彌_層實(shí)現(xiàn)。生長(zhǎng)工藝通常始于襯底氮化,隨后是緩沖層沉積,最后在高溫下生長(zhǎng)主GaN層。6 G3 V: B& v+ T% y
    - E. \& S9 V- T" X  A
    盡管具有諸多優(yōu)勢(shì),GaN技術(shù)在襯底可用性和成本方面仍面臨挑戰(zhàn)。目前大多數(shù)商用GaN器件生長(zhǎng)在硅、碳化硅或藍(lán)寶石等異質(zhì)襯底上,每種襯底在晶格匹配、熱導(dǎo)率和成本方面都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。
    # C1 k( O- T6 Z. H' h' F
    9 D& a( j$ }# p  E展望未來(lái),GaN技術(shù)正在不斷進(jìn)步,生長(zhǎng)工藝和襯底技術(shù)的改進(jìn)將帶來(lái)更好的性能和成本效益。該技術(shù)已在功率電子、射頻器件和光電子領(lǐng)域得到應(yīng)用,隨著技術(shù)的成熟,新的應(yīng)用領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)。  J; S! C, s6 S5 n2 h
    7 k' s9 j$ P- d3 s' y; s' v
    這些在GaN材料和工藝方面的技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)了新一代電子器件的發(fā)展,使其能夠在比傳統(tǒng)硅基技術(shù)更高的頻率、溫度和功率水平下運(yùn)行。隨著電子系統(tǒng)不斷發(fā)展,GaN將在功率電子和高頻應(yīng)用的未來(lái)發(fā)展中發(fā)揮關(guān)鍵作用。& n7 {8 [+ h2 [2 x0 q  E3 r+ v

    1 A4 b2 @$ \1 N參考文獻(xiàn)
    # W7 O( L3 K! u" B[1] C.-C. Lin and S.-C. Shen, "GaN Material Properties," in GaN Technology Materials, Manufacturing, Devices and Design for Power Conversion, Springer Nature Switzerland AG, 2024, ch. 2, pp. 13-28.
    % Q4 U& f9 ?3 Q
    $ f% ]1 A( l2 e$ r& t% L! MEND
    ) d+ w% r5 z7 M1 h

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    8 t! Z) L( o0 Z, |, k% Q轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處,請(qǐng)勿修改內(nèi)容和刪除作者信息!! G! f# c: f- X2 c
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    1 I( z, l: c7 K, t; j3 m* i深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專(zhuān)注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開(kāi)發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù),廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶(hù)。逍遙科技與國(guó)內(nèi)外晶圓代工廠(chǎng)及硅光/MEMS中試線(xiàn)合作,推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,致力于為客戶(hù)提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
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