氮化鎵材料的發(fā)明和應(yīng)用

每一種材料對(duì)科學(xué)貢獻(xiàn)和工業(yè)生產(chǎn)起到推動(dòng)的作用，氮化鎵材料在它的發(fā)明和應(yīng)用對(duì)當(dāng)下科技進(jìn)步和工業(yè)生產(chǎn)有非常重要的意義。無(wú)論是半導(dǎo)體材料，合金材料，濺射靶材，以及貴金屬材料對(duì)二十一世紀(jì)的工業(yè)發(fā)展有著重要的推動(dòng)作用。

aN材料是1928年由Johason等人合成的一種Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料，在大氣壓力下，GaN晶體一般呈六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，它在一個(gè)元胞中有4個(gè)原子，原子體積大約為GaAs的1/2；其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，常溫下不溶于水、酸和堿，而在熱的堿溶液中以非常緩慢的速度溶解；在HCl或H2下高溫中呈現(xiàn)不穩(wěn)定特性，而在N2下最為穩(wěn)定。GaN材料具有良好的電學(xué)特性，寬帶隙(3.39eV)、高擊穿電壓(3×106V/cm)、高電子遷移率(室溫1000cm2/V·s)、高異質(zhì)結(jié)面電荷密度(1×1013cm-2)等，因而被認(rèn)為是研究短波長(zhǎng)光電子器件以及高溫高頻大功率器件的最優(yōu)選材料，相對(duì)于硅、砷化鎵、鍺甚至碳化硅器件，GaN器件可以在更高頻率、更高功率、更高溫度的情況下工作。另外，氮化鎵器件可以在1~110GHz范圍的高頻波段應(yīng)用，這覆蓋了移動(dòng)通信、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、點(diǎn)到點(diǎn)和點(diǎn)到多點(diǎn)微波通信、雷達(dá)應(yīng)用等波段。

近年來(lái)，以GaN為代表的Ⅲ族氮化物因在光電子領(lǐng)域和微波器件方面的應(yīng)用前景而受到廣泛的關(guān)注。作為一種具有獨(dú)特光電屬性的半導(dǎo)體材料，GaN的應(yīng)用可以分為兩個(gè)部分：憑借GaN半導(dǎo)體材料在高溫高頻、大功率工作條件下的出色性能可取代部分硅和其它化合物半導(dǎo)體材料；憑借GaN半導(dǎo)體材料寬禁帶、激發(fā)藍(lán)光的獨(dú)特性質(zhì)開(kāi)發(fā)新的光電應(yīng)用產(chǎn)品。目前GaN光電器件和電子器件在光學(xué)存儲(chǔ)、激光打印、高亮度LED以及無(wú)線基站等應(yīng)用領(lǐng)域具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，其中高亮度LED、藍(lán)光激光器和功率晶體管是當(dāng)前器件制造領(lǐng)域最為感興趣和關(guān)注的。

國(guó)外在氮化鎵體單晶材料研究方面起步較早，現(xiàn)在美國(guó)、日本和歐洲在氮化鎵體單晶材料研究方面都取得了一定的成果，都出現(xiàn)了可以生產(chǎn)氮化鎵體單晶材料的公司，其中以美國(guó)、日本的研究水平最高。

美國(guó)有很多大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和公司都開(kāi)展了氮化鎵體單晶制備技術(shù)的研究，一直處于領(lǐng)先地位，先后有TDI、Kyma、ATMI、Cree、CPI等公司成功生產(chǎn)出氮化鎵單晶襯底。Kyma公司現(xiàn)在已經(jīng)可以出售1英寸、2英寸、3英寸氮化鎵單晶襯底，且已研制出4英寸氮化鎵單晶襯底。

日本在氮化鎵襯底方面研究水平也很高，其中住友電工(SEI)和日立電線(HitachiCable)已經(jīng)開(kāi)始批量生產(chǎn)氮化鎵襯底，日亞(Nichia)、Matsushita、索尼(Sony)、東芝(Toshiba)等也開(kāi)展了相關(guān)研究。日立電線的氮化鎵襯底，直徑達(dá)2英寸，襯底上位錯(cuò)密度都達(dá)到1×106cm-2水平。

歐洲氮化鎵體單晶的研究主要有波蘭的Top-GaN和法國(guó)的Lumilog兩家公司。TopGaN生產(chǎn)GaN材料采用HVPE工藝，位錯(cuò)密度1×107cm-2，厚度0.1～2mm，面積大于400mm2。綜上，國(guó)外的氮化鎵體單晶襯底研究已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，部分公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了氮化鎵體單晶襯底的商品化，技術(shù)趨于成熟，下一步的發(fā)展方向是大尺寸、高完整性、低缺陷密度、自支撐襯底材料。

氮化鎵材料有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，在技術(shù)日益成熟的情況下，氮化鎵材料將會(huì)發(fā)揮更重要的作用！