氮化镓(GaN)是什么

　　氮化镓(GaN)是什么

　　氮化镓是一种无机物，化学式GaN，是氮和镓的化合物，是一种直接能隙（direct bandgap）的半导体，自1990年起常用在发光二极管中。此化合物结构类似纤锌矿，硬度很高。氮化镓的能隙很宽，为3.4电子伏特，可以用在高功率、高速的光电元件中，例如氮化镓可以用在紫光的激光二极管，可以在不使用非线性半导体泵浦固体激光器（Diode-pumped solid-state laser）的条件下，产生紫光（405nm）激光。

　　GaN，中文名:氮化镓，常温常压下是纤锌矿结构。是现今半导体照明中蓝光发光二极管的核心材料。工业上采用MOCVD和HVPE设备来外延生长。

　　基本信息

　　中文名氮化镓外文名GaN点群P63mc

　　属于第三代半导体材料禁带宽度3.39~3.41eV目录1物理结构2电信

　　物理结构

　　GaN 半导体材料有二种基本结构:纤锌矿(Wurtzite, WZ)和闪锌矿(Zinc blende, ZB)。常温常压下惟有纤锌矿结构为稳定相。纤锌矿结构由两套六角密堆积子格子沿c 轴方向平移3c/8 套构而形成，所属空间群为或P63mc。

　　GAN=Generic access networks ，a telecommunication system that extends mobile voice, data and IP Multimedia Subsystem/Session Initiation Protocol (IMS/SIP) applications over IP networks.(GAN =通用访问网络,一个电信系统扩展移动语音、数据和IP多媒体子系统/会话发起协议(IMS / SIP)应用程序通过IP网络。)

　　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。

　　第三代半导体材料以氮化镓、碳化硅、氧化锌、金刚石为代表，是5G时代的主要材料，其中氮化镓和碳化硅的市场和发展空间最大。

　　受到外围市场和国际环境的影响，A股近期走势非常弱，但有一个新概念受到了市场的热炒，那就是氮化镓。炒作往往是盲目的，很多人其实根本不知道这是一种什么物质，先科普一下氮化镓（GaN）。

　　从化学命名就可以看出，这是由氮和镓两种离子组成的一种半导体材料，在物理特性上，其禁带宽度大于2.2eV，又被称为宽禁带半导体材料，也就是国内常说的第三代半导体材料的一种，实际上市场关注的并不只是氮化镓，而是第三代半导体材料。

　　根据媒体的消息，中国正在规划将大力支持发展第三代半导体产业写入“十四五”规划之中，计划在2021到2025年的五年之内，举全国之力，在教育、科研、开发、融资、应用等等各个方面对第三代半导体发展提供广泛支持，以期实现产业独立自主，不再受制于人。