GaN

定义

GaN指氮化镓，是镓与氮形成的化合物半导体，晶格由镓原子和氮原子按一定周期排列构成，化学式写作GaN^[2][1]。它属于Ⅲ族氮化物这一材料家族，与氮化铝、氮化铟等化合物在晶体结构和能带特征上具有可比性^[5]。在半导体分类中，禁带宽度大于2.2电子伏的材料通常称为宽禁带半导体，GaN的禁带宽度约为3.4电子伏，因此常与碳化硅一同被视为第三代半导体的代表^[6][3]。

作为化合物半导体，GaN的能带结构属于直接带隙类型：导带底与价带顶在动量空间中位置一致，电子与空穴复合时可以直接释放光子^[1][7]。这一特征使它在发光器件领域具有硅、锗等间接带隙材料不具备的优势^[2]。

原理

GaN材料的多数优势来自其能带与电场特性。禁带越宽，材料在本征激发下产生载流子所需的能量越高，器件能在更高温度和更强电场下保持稳定^[6]。据半导体击穿理论，击穿电压与临界电场强度和漂移层厚度相关，可写作 $V_{BD}=E_c \cdot d$；GaN的临界电场约为3.3兆伏每厘米，约为硅的10倍，因此在相同耐压下所需漂移层更薄，导通电阻可以相应降低^[8][3]。

在器件层面，氮化镓高电子迁移率晶体管(HEMT)利用AlGaN/GaN异质结界面处的自发极化与压电极化效应，在不额外掺杂的情况下形成二维电子气(2DEG)，其面密度可达10¹²至10¹³每平方厘米，电子迁移率可达每伏秒约2000平方厘米^[9]。这种薄层导电通道使器件具有较低的通态电阻和较高的工作频率^[6]。

在发光器件中，GaN基发光二极管通过向p型与n型层之间注入电子和空穴，使其在量子阱区域复合发光；改变铟镓氮(InGaN)阱层的组分可以调节发光波长，从而覆盖蓝光、绿光等波段^[10][11]。

发展历程

GaN的研究长期受制于p型掺杂困难，早期学界普遍认为这种材料只能实现n型导电^[12]。1989年前后，赤崎勇与天野浩所在的研究小组通过低能电子束辐照处理掺镁GaN薄膜，实现了p型导电并制出p-n结蓝光发光二极管^[12]。1993年，日本日亚化学的中村修二在GaN与InGaN材料基础上做出高亮度蓝光发光二极管并推向商品化^[13][11]。

此后GaN器件的光效与功率能力持续提升。1995年，中村修二等人实现GaN/InGaN量子阱发光结构，同年开始研发蓝光激光二极管；1997年又开发出紫外发光二极管^[12][13]。2014年，赤崎勇、天野浩和中村修二因发明高效GaN基蓝光发光二极管、使明亮节能的白光光源成为可能而获得诺贝尔物理学奖^[10]。

进入21世纪后，GaN的研究重心从光电子向功率电子与射频电子扩展。产业界的重点转向在硅、碳化硅等异质衬底上外延生长GaN以控制成本，同时推进工程化衬底与垂直结构器件的探索^[14][15]。

应用

在光电子领域，GaN是蓝光、绿光发光二极管与激光二极管的主要材料，相关器件用于照明、显示屏、信号灯以及光存储与光通信^[3]。蓝光芯片配合荧光转换材料可制成白光光源，构成半导体照明的基础方案^[10]。以GaN为基底的微型发光二极管显示也是近年研究方向之一^[16]。

在电力电子领域，GaN器件因导通损耗低、开关频率高，被用于消费电子充电器与电源适配器等小体积高功率密度的场合^[3][7]。其在功率因数校正电路中可实现150千赫兹以上的开关频率，在直流变换器中可超过1兆赫兹，有利于缩小磁性元件尺寸^[3]。在射频领域，GaN器件用于5G基站、雷达与卫星通信等对功率和频率要求较高的设备^[3][17]。

局限

GaN难以获得大尺寸单晶衬底。该材料在常压下不熔化、高温下分解，传统熔体生长法难以适用，导致单晶衬底生长缓慢、成本高、尺寸受限，商用器件因而多依赖硅、碳化硅、蓝宝石等异质衬底^[14][18]。异质外延存在晶格失配与热膨胀系数差异，需要较厚过渡层缓冲应力，衬底易翘曲甚至碎裂，外延层位错密度也偏高^[15][16]。

热管理是另一个制约因素。GaN的热导率约为每厘米开尔文1.3瓦，低于碳化硅的4.9^[15]。二维电子气通道很薄，高电流密度下易在栅极附近形成热点并产生自热，器件长期可靠性因此受到影响^[19][18]。

在高压与结构设计上，多数商用GaN功率器件采用横向导电结构，击穿电压取决于栅极到漏极的距离，耐压提高往往需要增大芯片面积；垂直结构器件虽有助于改善这一点，但需要GaN衬底或背面工艺，实现难度较大^[15]。此外，GaN的p型掺杂与选择性区域掺杂工艺复杂，金属有机前驱体生长过程中引入的碳污染会抵消低浓度掺杂效果，降低载流子迁移率^[15]。材料中存在的陷阱还会造成电流崩塌现象，使动态导通电阻明显上升^[20]。

参见

• 碳化硅 —— 同属宽禁带半导体的材料，常与氮化镓在功率器件领域并列比较。

• 发光二极管 —— 氮化镓最主要的应用器件之一，蓝光发光二极管即以氮化镓为基础。

• 高电子迁移率晶体管 —— 利用氮化镓异质结二维电子气工作的主流功率与射频器件结构。

• 宽禁带半导体 —— 氮化镓所属的材料类别，禁带宽度显著大于硅。

• 金属有机化学气相沉积 —— 生长氮化镓外延层的常用工艺方法。