氮化镓半导体的工作原理

氮化镓（GaN）是氮和镓的化合物，是一种III族和V族的直接能隙的半导体，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、高速的光电器件中，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的条件下，产生紫光（405 nm）激光。

特性

氮化镓是一种宽禁带半导体材料，其禁带宽度达到 3.4eV，是最具代表性的第三代半导体材料之一。

工作原理

氮化镓（GaN）是一种宽带隙半导体，用于高效功率晶体管和集成电路。在GaN晶体的顶部生长氮化铝镓（AlGaN）薄层并在界面施加应力，从而产生二维电子气（2DEG）。2DEG用于在电场作用下，高效地传导电子。2DEG具有高导电性，部分原因是由于电子被困在界面处的非常细小的区域，从而将电子的迁移率从未施加应力前约1000平方厘米/V·s，增加到2DEG区域中的1500至2000平方厘米/V·s。与硅基解决方案相比，氮化镓晶体管及集成电路具有的高电子迁移率，可实现更高的击穿强度、更快的开关、更高的导热率和更低的导通电阻。

制备方法

由于 GaN 的熔点很高，且饱和蒸汽压较高，在自然界中无法以单晶形式存在，必须 采用外延法进行制备。MOCVD（金属有机物气相沉积法），MBE（分子束外延法），HVPE （氢化物气相外延法）等是比较传统的 GaN 薄膜制备方法。 

MOCVD 工艺以三甲基镓作为镓源，氨气作为氮源，以蓝宝石(Al2O3)作为衬底，并用 氢气和氮气的混合气体作为载气，将反应物载入反应腔内，加热到一定温度下使其发 生反应，在衬底表面上吸附、成核、生长，最终形成一层 GaN 单晶薄膜。采用 MOCVD 法制备的产量大，生长周期短，适合用于大批量生产。 

MBE 法制备 GaN 与 MOCVD 法类似，主要区别在于镓源的不同。MBE 法的镓源通常 采用 Ga 的分子束，NH3 作为氮源。用该方法可以在较低的温度下实现 GaN 的生长， 一般为 700 ℃左右。但外延层较厚的膜反应时间较长，在生产中发挥的效率欠佳，因 此该方法尚不能用于大规模生产。

HVPE 法与上述两种方法的区别也在于镓源，通常以镓的氯化物 GaCl3 为镓源，NH3 为氮源，在衬底上以 1000 ℃左右的温度生长出 GaN 晶体。此方法生成的 GaN 晶体 质量较好，高温下生长速度快，但高温反应对设备、成本与技术要求都比较高。