氮化镓
化合物
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。氮化镓的能隙较宽，为3.4eV，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。其次，氮化镓具有优良的电子迁移率和电子饱和漂移速度，这使得它在射频和微波电子器件中具有出色的性能，例如5G通信系统中的射频功率放大器。日本名古屋大学和名城大学教授赤崎勇、名古屋大学教授天野浩和美国加州大学圣塔芭芭拉分校教授中村修二，其在GaN和固态照明和数据存储方面所做工作的巨大影响力而获得了2014年诺贝尔物理学奖。
材料简介
GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点，是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，并与SiC、金刚石等半导体材料一起，被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好（几乎不被任何酸腐蚀）等性质和强的抗辐照能力，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。
结构
氮化镓（GaN）是一种具有晶体结构的半导体材料，其结构是由镓原子和氮原子构成的晶格组成的。氮化镓晶体采用立方晶系结构，其晶胞中包含了具有六方密堆积结构的原子排列。
氮化镓晶体的晶格结构可以描述为每个镓原子周围环绕着四个氮原子，而每个氮原子周围也被四个镓原子包围。这种结构称为闪锌矿结构或者螺旋状烯结构，它是由镓原子和氮原子所构成的共价键和离子键交替排列而成。
在氮化镓的结构中，氮原子与周围的镓原子形成共价键，这些共价键使得晶体具有稳定的结构。同时，氮原子也接受来自镓原子的电子，形成氮化镓晶体中的正离子和负离子。这种共价和离子键的结合使得氮化镓具有良好的电子迁移性和光学性能。
此外，氮化镓晶体中的晶格常常包含杂质原子，例如硅、碳等，这些杂质原子的掺杂可以调节氮化镓的电性能和光学性能，使其适用于不同的应用领域。
自然界中并不存在天然GaN材料，均为人工合成。
计算化学数据
性质与稳定性
GaN是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为1700℃，GaN具有高的电离度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5或0.43）。在大气压力下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。它在一个原胞中有4个原子，原子体积大约为GaAs的一半。因为其硬度高，又是一种良好的涂层保护材料。
性质
能隙和电子结构：氮化镓的较宽能隙（约3.4eV）使得它在可见光区域具有较高的透明度，这对于LED和激光器等光电子器件至关重要。其直接带隙特性意味着当电子跃迁时，能量和动量守恒成立，这有助于提高光电子器件的效率。氮化镓的电子结构还决定了它的电子迁移率和载流子传输性能，这对于器件的速度和功率特性至关重要。
机械性质：氮化镓具有较高的硬度，接近于蓝宝石（莫氏硬度约为9），这使得它能够抵抗一定程度的机械应力和划痕。其较高的弹性模量使得氮化镓在应用中具有较好的弹性和稳定性，能够承受一定程度的外部压力和应变。
热学性质：氮化镓具有优异的热传导性能，相对于其他半导体材料来说是较高的。这种高热导率使得氮化镓器件在工作时能够有效地散热，降低温度梯度，提高器件的性能和可靠性。此外，氮化镓的热膨胀系数相对较小，这意味着在温度变化时，它不易发生尺寸变化和形变，有助于保持器件的结构稳定性。
光学性质：氮化镓在可见光区域具有较高的透明度和较低的吸收系数，这使得它在LED和激光器等光电子器件中能够实现高效能量转换。其较高的折射率使得氮化镓能够实现高效的光学耦合，从而提高光电子器件的发光效率和输出功率。
化学稳定性：氮化镓具有较好的化学稳定性，能够抵抗许多常见的化学腐蚀和氧化反应，如酸、碱、溶剂等。这使得氮化镓能够在各种恶劣的环境条件下保持性能稳定，例如高温、高湿度、腐蚀性气体环境等。
电子性能：氮化镓具有优异的电子迁移率，通常在几百到几千cm2/(V·s)的范围内，这使得其在高频率和高功率电子器件中具有优异的性能。其高电子迁移率和较高的饱和漂移速度使得氮化镓器件具有较低的导通电阻和较高的开关速度，适用于高速、高频的应用场景。
稳定性
如果遵照规格使用和储存则不会分解。
避免接触氧化物，热，水分/潮湿。
GaN在1050℃开始分解：2GaN(s)=2Ga(g)+N2(g)。X射线衍射已经指出GaN晶体属纤维锌矿晶格类型的六方晶系。
在氮气或氦气中当温度为1000℃时GaN会慢慢挥发，证明GaN在较高的温度下是稳定的，在1130℃时它的蒸气压比从焓和熵计算得到的数值低，这是由于有多聚体分子(GaN)x的存在。
GaN不被冷水或热水，稀的或浓的盐酸、硝酸和硫酸所分解，在冷的40%HF中也稳定。在冷的浓碱中也是稳定的，但在加热的情况下能溶于碱中。
合成方法
①即使在1000℃氮与镓也不直接反应。在氨气流中于1050～1100℃下加热金属镓30min可制得疏松的灰色粉末状氮化镓GaN。加入碳酸铵可提供气体以搅动液态金属，并促使与氮化剂的接触。
②在干燥的氨气流中焙烧磨细的GaP或GaAs也可制得GaN。
材料生长制备
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。有研究表示采用设备是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250Å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/min
N2：3～4L/min
H2：<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。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。
材料的应用
新型电子器件
GaN材料系列具有低的热产生率和高的击穿电场，是研制高温大功率电子器件和高频微波器件的重要材料。目前，随着 MBE技术在GaN材料应用中的进展和关键薄膜生长技术的突破，成功地生长出了GaN多种异质结构。用GaN材料制备出了金属场效应晶体管（MESFET）、异质结场效应晶体管(HFET)、调制掺杂场效应晶体管（MODFET）等新型器件。调制掺杂的AlGaN/GaN结构具有高的电子迁移率(2000cm2/v·s)、高的饱和速度(1×107cm/s)、较低的介电常数，是制作微波器件的优先材料；GaN较宽的禁带宽度(3.4eV) 及蓝宝石等材料作衬底，散热性能好，有利于器件在大功率条件下工作。
光电器件
GaN材料系列是一种理想的短波长发光器件材料，GaN及其合金的带隙覆盖了从红色到紫外的光谱范围。自从1991年日本研制出同质结GaN蓝色 LED之后，InGaN/AlGaN双异质结超亮度蓝色LED、InGaN单量子阱GaNLED相继问世。目前，Zcd和6cd单量子阱GaN蓝色和绿色 LED已进入大批量生产阶段，从而填补了市场上蓝色LED多年的空白。蓝色发光器件在高密度光盘的信息存取、全光显示、激光打印机等领域有着巨大的应用市场。随着对Ⅲ族氮化物材料和器件研究与开发工作的不断深入，GaInN超高度蓝光、绿光LED技术已经实现商品化，现在世界各大公司和研究机构都纷纷投入巨资加入到开发蓝光LED的竞争行列。
1993年，Nichia公司首先研制成发光亮度超过lcd的高亮度GaInN/AlGaN异质结蓝光LED，使用掺Zn的GaInN作为有源层，外量子效率达到2.7%，峰值波长450nm,并实现产品的商品化。1995年，该公司又推出了光输出功率为2.0mW，亮度为6cd商品化GaN绿光 LED产品，其峰值波长为525nm，半峰宽为40nm。最近，该公司利用其蓝光LED和磷光技术，又推出了白光固体发光器件产品，其色温为6500K，效率达7.5流明/W。除Nichia公司以外，HP、Cree等公司相继推出了各自的高亮度蓝光LED产品。高亮度LED的市场预计将从1998年的 3.86亿美元跃升为2003年的10亿美元。高亮度LED的应用主要包括汽车照明，交通信号和室外路标，平板金色显示，高密度DVD存储，蓝绿光对潜通信等。
在中村修二成功开发Ⅲ族氮化物蓝光LED之后，研究的重点开始转向Ⅲ族氮化物蓝光LED器件的开发。蓝光LED在光控测和信息的高密度光存储等领域具有广阔的应用前景。目前Nichia公司在GaN蓝光LED领域居世界领先地位，其GaN蓝光LED室温下2mW连续工作的寿命突破10000小时。HP公司以蓝宝石为衬底，研制成功光脊波导折射率导引GaInN/AlGaN多量子阱蓝光LED。CreeResearch公司首家报道了SiC上制作的CWRT蓝光激光器，该激光器彩霞的是横向器件结构。富士通继Nichia，CreeResearch和索尼等公司之后，宣布研制成了InGaN蓝光激光器，该激光器可在室温下CW应用，其结构是在SiC衬底上生长的，并且采用了垂直传导结构（P型和n型接触分别制作在晶片的顶面和背面），这是首次报道的垂直器件结构的CW蓝光激光器。
在探测器方面，已研制出GaN紫外探测器，波长为369nm，其响应速度与Si探测器不相上下。但这方面的研究还处于起步阶段。GaN探测器将在火焰探测、导弹预警等方面有重要应用。
传感器
氮化镓可以用于制造高精度和高灵敏度的压力传感器，当外界施加压力时，氮化镓的电学特性会发生变化，可以通过测量其电阻、电容或场效应等参数来实现对压力的测量。氮化镓材料的热学性质使得其适用于制造高温传感器。氮化镓在高温环境下的稳定性和热传导性能优良，可以用于制造高温传感器，如汽车发动机温度传感器、高温工艺过程监测传感器等。其也可用于制造气体传感器。氮化镓的表面具有良好的化学惰性，能够与许多气体发生特定的化学反应，因此可以利用其表面化学特性来检测特定气体的浓度，例如氮氧化物、氨气等。由于氮化镓的光学性能优异，其在光学传感器中的应用能够实现对光强度、波长和方向等参数的高精度测量。通过将生物分子与氮化镓材料表面进行特定的修饰，可以实现对生物分子的高灵敏度和高选择性检测，例如DNA、蛋白质、细胞等。
应用前景
对于GaN材料，长期以来由于衬底单晶没有解决，异质外延缺陷密度相当高，但是器件水平已可实用化。1994年日亚化学所制成1200mcd的LED，1995年又制成Zcd蓝光（450nmLED），绿光12cd(520nmLED);日本1998年制定一个采用宽禁带氮化物材料开发LED的 7年规划，其目标是到2005年研制密封在荧光管内、并能发出白色光的高能量紫外光LED，这种白色LED的功耗仅为白炽灯的1/8，是荧光灯的1/2, 其寿命是传统荧光灯的50倍～100倍。这证明GaN材料的研制工作已取相当成功，并进入了实用化阶段。InGaN系合金的生成，InGaN/AlGaN 双质结LED，InGaN单量子阱LED，InGaN多量子阱LED等相继开发成功。InGaNSQWLED6cd高亮度纯绿茶色、2cd高亮度蓝色 LED已制作出来，今后，与AlGaP、AlGaAs系红色LED组合形成亮亮度全色显示就可实现。这样三原色混成的白色光光源也打开新的应用领域,以高可靠、长寿命LED为特征的时代就会到来。日光灯和电灯泡都将会被LED所替代。LED将成为主导产品，GaN晶体管也将随材料生长和器件工艺的发展而迅猛发展，成为新一代高温度频大功率器件。
优点
①禁带宽度大（3.4eV），热导率高（1.3W/cm-K），则工作温度高，击穿电压高，抗辐射能力强；
②导带底在Γ点，而且与导带的其他能谷之间能量差大，则不易产生谷间散射，从而能得到很高的强场漂移速度（电子漂移速度不易饱和）；
③GaN易与AlN、InN等构成混晶，能制成各种异质结构，已经得到了低温下迁移率达到105cm2/Vs的2-DEG（因为2-DEG面密度较高，有效地屏蔽了光学声子散射、电离杂质散射和压电散射等因素）；
④晶格对称性比较低（为六方纤锌矿结构或四方亚稳的闪锌矿结构），具有很强的压电性（非中心对称所致）和铁电性（沿六方c轴自发极化）：在异质结界面附近产生很强的压电极化（极化电场达2MV/cm）和自发极化（极化电场达3MV/cm），感生出极高密度的界面电荷，强烈调制了异质结的能带结构，加强了对2-DEG的二维空间限制，从而提高了2-DEG的面密度（在AlGaN/GaN异质结中可达到1013/cm2，这比AlGaAs/GaAs异质结中的高一个数量级），这对器件工作很有意义。
缺点
①在理论上由于其能带结构的关系，其中载流子的有效质量较大，输运性质较差，则低电场迁移率低，高频性能差。
②由于GaN材料具有高熔点、低分解点的特点，目前获得GaN晶体的主要方法仍是异质外延。异质外延的主要衬底蓝宝石及SiC与GaN之间存在较大的晶格失配和热失配，容易导致外延层中存在较高的位错密度和残余应力。同时由于金属有机物分解等因素，GaN在生长中会引入非故意掺杂原子点缺陷，材料中的位错、残余应力以及点缺陷等会对GaN基器件带来潜在的可靠性影响。
标准
中国团体标准，关于氮化镓的标准
T/GDC 69-2020 氮化镓充电器
T/CASAS 031-2023 面向5G基站应用的Sub-6GHz氮化镓功放 模块测试方法
T/CASAS 022-2022 三相智能电表用氮化镓场效应晶体管通用技术规范
T/CASAS 010-2019 氮化镓材料中痕量杂质浓度及分布的二次离子质谱检测方法
国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会，关于氮化镓的标准
GB/T 37466-2019 氮化镓激光剥离设备
GB/T 37053-2018 氮化镓外延片及衬底片通用规范
GB/T 39144-2020 氮化镓材料中镁含量的测定 二次离子质谱法
国家质检总局，关于氮化镓的标准
GB/T 30854-2014 LED发光用氮化镓基外延片
GB/T 41751-2022 氮化镓单晶衬底片晶面曲率半径测试方法
GB/T 36705-2018 氮化镓衬底片载流子浓度的测试 拉曼光谱法
GB/T 32282-2015 氮化镓单晶位错密度的测量 阴极荧光显微镜法
GB/T 32189-2015 氮化镓单晶衬底表面粗糙度的原子力显微镜检验法
GB/T 32188-2015 氮化镓单晶衬底片x射线双晶摇摆曲线半高宽测试方法
行业标准-电子，关于氮化镓的标准
SJ/T 11396-2009 氮化镓基发光二极管蓝宝石衬底片
英国标准学会，关于氮化镓的标准
BS IEC 63229:2021 半导体器件 碳化硅衬底氮化镓外延膜缺陷分类
22/30447579 DC BS EN 63419 氮化镓功率转换器件开关可靠性评估程序指南
BS IEC 63284:2022 半导体器件 氮化镓晶体管感性负载开关可靠性测试方法
18/30386543 DC BS EN 63229 Ed.1.0 半导体器件 碳化硅衬底氮化镓外延片缺陷分类
19/30404655 DC BS EN IEC 63229 半导体器件 碳化硅衬底氮化镓外延薄膜缺陷的分类
国际电工委员会，关于氮化镓的标准
IEC 63229:2021 半导体器件.碳化硅衬底上氮化镓外延膜缺陷的分类
IEC 63284:2022 半导体器件.氮化镓晶体管用电感负载切换的可靠性试验方法
AT-OVE/ON，关于氮化镓的标准
OVE EN IEC 63284:2021 半导体器件-氮化镓晶体管的感性负载开关可靠性测试方法（IEC 47/2681/CDV）（英文版）
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