氮化镓半导体技术制造

越来越多的人在使用手机快充充电器的时候可能不经意间会发现氮化镓（GaN）这个专业名词，实际上，正是“氮化镓”这一第三代半导体材料的技术突破，让第三代半导体能实现更多的场景应用，例如氮化镓电子器件具有高频、高转换效率、高击穿电压等特性，让微显示、手机快充、氮化镓汽车等有了无限可能。

氮化镓（GaN）主要是指一种由人工合成的半导体材料，是第三代半导体材料的典型代表， 研制微电子器件、光电子器件的新型材料。氮化镓技术及产业链已经初步形成，相关器件快速发展。第三代半导体氮化镓产业范围涵盖氮化镓单晶衬底、半导体器件芯片设计、制造、封测以及芯片等主要应用场景。

氮化镓应用范围广泛，作为支撑“新基建”建设的关键核心器件，其下游应用切中了 “新基建”中5G基站、特高压、新能源充电桩、城际高铁等主要领域。此外，氮化镓的高效电能转换特性，能够帮助实现光伏、风电（电能生产），直流特高压输电（电能传输），新能源汽车、工业电源、机车牵引、消费电源（电能使用）等领域的电能高效转换，助力“碳达峰，碳中和”目标实现。

氮化镓材料的发展历程及MOCVD制备工艺

氮化镓发展较晚。1969年日本科学家Maruska等人采用氢化物气相沉积技术在蓝宝石衬底表面沉积出了较大面积的氮化镓薄膜，但由于材料质量较差和P型掺杂难度大，一度被认为无应用前景。

氮化镓具有禁带宽度大、击穿电压高、热导率大、饱和电子漂移速度高和抗辐射能力强等特点，是迄今理论上电光、光电转换效率最高的材料。

氮化镓的外延生长方法主要有金属有机化学气相沉积MOCVD、氢化物气相外延HVPE、分子束外延MBE。MOCVD生长氮化镓的基本化学原理是在反应腔中通入蒸汽状态的Ga（CH）3和气态的NH3，在高温环境下发生一系列反应，最终在衬底表面生成氮化镓外延层：

MOCVD技术最初由Manasevit于1968年提出，之后随着原材料纯度提高及工艺的改进，该方法逐渐成为砷化镓、铟化磷为代表的第二代半导体材料和氮化镓为代表的三族半导体材料的主要生长工艺。1993年日亚化学的Nakamura等人用MOCVD方法实现了高质量管理InGaN铟镓氮外延层的制备，由此可见MOCVD在第三代半导体材料中的重要性。

MOCVD的优点是反应物以气态形式进入反应腔，可以通过精确控制各种气体流量来控制外延材料的厚度、组分和载流子密度等；第二是反应腔中气体流动快，可以通过改变气体来获得陡峭的异质结界面；第三是获得的杂质较少，晶体质量高；第四是设备相对简单，有利于大规模产业化生产。

MOCVD在三族化合物半导体材料制备中的重要性越来越重要，在设备供应方面，除了德国爱思强和美国VECCO，中微公司也实现了重大突破，MOCVD实现了国产替代。

GaN晶圆的分步制造：

第一步、MOCVD生长前衬底的清洗

第二步、扫描电镜制模与表征

第三步、用MOCVD外延生长

第四步、用扫描电镜进一步表征

第五步、部件制造和特性测试

涂覆的方法叫做外延生长。在该过程中，气体和金属在良好控制的条件和高温下与基底材料反应。这样，GaN的薄层或纳米线可以在晶片上“生长”。下一代半导体晶片具有GaN材料的元件。

然后将完成的晶片切割成邮票大小的小块进行封装。在日常语言中，封装的半导体被称为微芯片或仅仅是芯片。这些可谓是让电子产品工作的大脑和内存。该芯片包含数百万个晶体管。通常一个器件的晶体管越多，它执行任务的速度就越快。

来源：阿尔法经济研究，央广网，个人图书馆

审核编辑 ：李倩