氮化镓晶圆片 GaN Wafers

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GaN 晶圆 (GaN jīngyuán)，又称氮化镓晶圆，是一种由氮化镓 (GaN, Gallium Nitride) 制成的化合物半导体晶圆。与传统的硅 (Si) 晶圆相比，GaN 晶圆具 许多方面的优势，使其成为下一代功率电子器件和射频器件的理想材料。

以下是一些 GaN 晶圆的优点：

• 高击穿电压： GaN 晶圆能够承受比硅更高的电压，使其非常适合于高功率应用。
• 高开关速度： GaN 晶圆的开关速度比硅快得多，这使得它们能够用于更高频率的器件。
• 高热导率： GaN 晶圆具有更高的热导率，使其能够更好地散热，在高功率下运行更稳定。

由于这些优点，GaN 晶圆被用于制造各种器件，例如：

• 功率转换器件： GaN 用于制造开关电源、变频器和电机控制器等功率转换器件，能显著提高效率并减小器件尺寸。
• 射频器件： GaN 用于制造微波射频功率放大器和其他射频器件，适用于雷达、基站和 5G 通信等领域。
• LED： GaN 是制造高亮度 LED 的关键材料，广泛应用于显示器背光、照明和汽车前灯等领域。

这里需要注意的是，GaN 晶圆的制造工艺比硅晶圆更加复杂，需要经过以下几个步骤：

1. 衬底准备： 首先需要对衬底进行清洗和抛光，以获得平整、清洁的表面。
2. 外延生长： 将 GaN 薄膜生长在衬底上，可以使用上述的各种外延生长方法。
3. 薄膜表征： 对生长的 GaN 薄膜进行表征，例如测量厚度、晶体质量、缺陷密度等。
4. 刻蚀： 根据器件设计，对 GaN 薄膜进行刻蚀，形成所需的图形。
5. 金属沉积： 在 GaN 薄膜上沉积金属层，形成器件的电极和互连。
6. 退火： 对器件进行退火，以改善其性能。
7. 测试： 对器件进行测试，以确保其符合性能指标。

一般GaN 不能通过传统的硅棒制作工艺制备而成，而是要通过外延片的形式制作在外延衬底之上，常见的方法包括

1. 气相外延 (Vapor Phase Epitaxy, VPE)： VPE 法是将含有氮化镓前驱体的载气 (如氨、三氯化镓) 在高温下注入到衬底上，使其发生化学反应并生长出 GaN 薄膜。VPE 法生长速率快、晶体质量好，但需要高温高压条件，且对衬底材料要求较高。
2. 金属有机气相外延 (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)： MOCVD 法是将含有氮化镓前驱体的有机金属化合物 (如三甲基镓、氨基氢化镓) 在载气的帮助下注入到高温衬底上，使其发生化学反应并生长出 GaN 薄膜。MOCVD 法生长速率可控、掺杂均匀，但设备复杂、成本较高。
3. 分子束外延 (Molecular Beam Epitaxy, MBE)： MBE 法是将原子或分子束分别射向加热的衬底上，使其在表面生长成薄膜。MBE 法生长速率慢、晶体质量高，但设备复杂、成本高，且生长面积小。
4. 氢化物气相外延 (Hydride Vapor Phase Epitaxy, HVPE)： HVPE 法是将含有氮化镓前驱体的卤化物气体 (如氯化镓、氨) 在氢气的帮助下注入到高温衬底上，使其发生化学反应并生长出 GaN 薄膜。HVPE 法生长速率快、生长面积大，但对气体纯度要求高，且存在安全隐患。

除了上述方法外，还有其他一些 GaN 晶圆的制造方法，例如液相外延 (Liquid Phase Epitaxy, LPE)、脉冲外延 (Pulsed Epitaxy) 等。

而常用的 GaN 晶圆衬底材料包括：

1. 蓝宝石： 蓝宝石是一种单晶刚玉 (Al2O3) 材料，具有优异的导热性、高硬度和化学惰性。由于其与 GaN 晶格失配，会在 GaN 薄层中产生应变并提高电子迁移率，因此被广泛用作 GaN 外延的衬底。
2. 硅 (Si): 硅是半导体行业中最常见的衬底材料，也用于 GaN 外延。然而，硅与 GaN 之间的晶格失配比蓝宝石与 GaN 的晶格失配大得多，这会导致 GaN 薄层中的缺陷密度更高。可以通过使用缓冲层或先进的外延生长技术来减轻这一挑战。
3. 碳化硅 (SiC): 碳化硅是另一种宽禁带半导体材料，与硅相比，它具有优异的导热性、高机械强度以及与 GaN 更接近的晶格匹配度。这使碳化硅成为制造大功率 GaN 器件很有前景的衬底材料。
4. 自支撑氮化镓： 研究人员还正在开发在自支撑氮化镓衬底上生长 GaN 外延层的方法。这种方法消除了晶格失配问题，并有可能制造出质量更高、器件性能更好的 GaN 晶圆。

GaN 晶圆衬底的选择取决于具体应用和期望的器件特性。在选择合适的衬底时，需要考虑成本、热管理、缺陷密度和器件性能等因素。

以下是每种衬底类型优缺点的总结：