概述^[1-2]^

進(jìn)入90年代以后，第二代半導(dǎo)體砷化鎵、磷化銦等具有高遷移率的半導(dǎo)體材料逐漸出現(xiàn)，使得有線通訊技術(shù)迅速發(fā)展。隨后在本世紀(jì)初，碳化硅，氮化鎵等具有寬禁帶的第三代半導(dǎo)體材料也相繼問世，將當(dāng)代的信息技術(shù)推向了更高的臺(tái)階。

第三代半導(dǎo)體材料的禁帶寬度很大，可以達(dá)到2.3eV以上，如氮化鎵的禁帶寬度高達(dá)3.39eV，氮化鋁甚至超過了6eV。氮化鎵作為第三代半導(dǎo)體的代表，其化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，在室溫下不溶于水，酸和堿，且融點(diǎn)高達(dá)1700℃，硬度較大。

由以上基本性質(zhì)就可知用氮化鎵做成的材料具有耐高溫，耐酸堿腐蝕和抗外力變形等優(yōu)越的性能。目前，氮化鎵和氮化鎵基半導(dǎo)體材料已經(jīng)成為了世界各國研究的熱點(diǎn)。氮化鎵的合成與制備方法目前對(duì)氮化鎵的主要研究對(duì)象之一，單晶氮化鎵薄膜和納米氮化鎵的合成方法是研究的重中之重。

應(yīng)用^[3]^

1. 氮化鎵技術(shù)與軍事應(yīng)用

當(dāng)前軍事與航天領(lǐng)域是氮化鎵技術(shù)最大的市場(chǎng)。最早就是在美國國防部的推動(dòng)下，開始了氮化鎵技術(shù)的研究，慢慢地就行成了現(xiàn)在GaN器件的市場(chǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，軍事和航天領(lǐng)域占據(jù)了GaN器件總市場(chǎng)的40%，最大應(yīng)用市場(chǎng)是雷達(dá)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)。

2016年3月，愛國者導(dǎo)彈防御系統(tǒng)美國雷神公司宣布采用了最新的基于GaN技術(shù)的相控陣天線系統(tǒng)。之前的愛國者導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的雷達(dá)是采用的被動(dòng)電子掃描陣列系統(tǒng)，現(xiàn)在的雷達(dá)系統(tǒng)改為了基于GaN技術(shù)的主動(dòng)電子掃描陣列(AESA)，基于GaN技術(shù)的主動(dòng)電子掃描陣列將提供給愛國者導(dǎo)彈防御系統(tǒng)360度無死角的雷達(dá)搜索制導(dǎo)能力。

包括現(xiàn)在的機(jī)載火控雷達(dá)、彈載導(dǎo)引頭、艦載預(yù)警防空雷達(dá)等等，越來越多的用到了基于GaN技術(shù)的相控陣天線系統(tǒng)。現(xiàn)在這些GaN技術(shù)已經(jīng)慢慢的正從軍用轉(zhuǎn)為民用。例如，汽車無人駕駛系統(tǒng)、60GHz頻段的Wi-Fi技術(shù)、無線通信基站、還有就是5G通信。

2. 氮化鎵技術(shù)與民品應(yīng)用

雖然現(xiàn)在在通信基站里面逐漸有了GaN器件，但要把GaN器件運(yùn)用在普通手機(jī)上，還需要很長(zhǎng)的時(shí)間。當(dāng)前爆炸式增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流量，移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商正在竭力滿足。

根據(jù)瑞典愛立信公司的預(yù)測(cè)，從2018年至2023年，全球移動(dòng)通信數(shù)據(jù)流量以每年45%增長(zhǎng)，今后移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商如不采用GaN技術(shù)，有可能將無法滿足用戶的需求。4.5G技術(shù)，移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商公布新標(biāo)準(zhǔn)LTEAdvancedPro。LTEAdvancedPro4.5G技術(shù)最多組合32個(gè)載波單元，同時(shí)會(huì)整合大規(guī)模多人多出技術(shù)和非授權(quán)波段LTE技術(shù)。

目前大規(guī)模多人多出技術(shù)已經(jīng)在通信基站中被應(yīng)用，就是通過很多根天線來提升通信容量。載波聚合和大規(guī)模多人多出技術(shù)要求通信基站必須逐步地采用性能更優(yōu)異的功率放大器。

通信基站中以前所用的射頻功率放大器主要基于硅Si的LDMOS技術(shù)，但硅Si的LDM0S技術(shù)的極限頻率是無法超過3.5GHz，同時(shí)硅Si的LDMOS技術(shù)也無法滿足視頻數(shù)據(jù)所需要的300MHz以上更寬的帶寬。綜上所述，通信基站已經(jīng)開始采用氮化鎵GaN器件來替代硅Si的LDMOS器件。

硅Si的LDMOS器件物理特性上已經(jīng)到達(dá)了極限，這就是氮化鎵GaN器件進(jìn)入民品市場(chǎng)的原因。隨著爆炸式增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流量，通信基站越來越需要更高峰值功率、更寬帶寬以及更高頻率的器件，這就使得氮化鎵GaN器件應(yīng)用于通信基站成為必然。

制備^[2]^

1. 氮化鎵薄膜制備

關(guān)于GaN薄膜的合成技術(shù)，近年來在文獻(xiàn)中有很多的報(bào)導(dǎo)。由于GaN的熔點(diǎn)很高，且飽和蒸汽壓較高，在自然界中無法以單晶形式存在，而且用一般的體單晶生長(zhǎng)方法來制備薄膜也相當(dāng)困難，必須采用外延法進(jìn)行制備。MOCVD，MBE，HVPE等是比較傳統(tǒng)的GaN薄膜制備方法。

1）MOCVD法：MOCVD（金屬有機(jī)物氣相沉積法）是在氣相外延生長(zhǎng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型氣相外延生長(zhǎng)技術(shù)。在采用MOCVD法制備GaN單晶的傳統(tǒng)工藝中。

通常以三甲基鎵作為鎵源，氨氣作為氮源，以藍(lán)寶石(Al2O3)作為襯底，并用氫氣和氮?dú)膺@種兩種氣體的混合氣體作為載氣，將反應(yīng)物載入反應(yīng)腔內(nèi)，加熱到一定溫度下使其發(fā)生反應(yīng)，能夠在襯底上生成GaN的分子團(tuán)，在襯底表面上吸附、成核、生長(zhǎng)，最終形成一層GaN單晶薄膜。

采用MOCVD法制備的產(chǎn)量大，生長(zhǎng)周期短，適合用于大批量生產(chǎn)。但生長(zhǎng)完畢后需要進(jìn)行退火處理，最后得到的薄膜可能會(huì)存在裂紋，會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量。

2）MBE法：用MBE法（分子束外延法）制備GaN與MOCVD法類似，主要的區(qū)別在于鎵源的不同。MBE法的鎵源通常采用Ga的分子束，NH3作為氮源，制備方法與MOCVD法相似，也是在襯底表面反應(yīng)生成GaN。用該方法可以在較低的溫度下實(shí)現(xiàn)GaN的生長(zhǎng)，一般為700℃左右。較低的溫度可以有效減少反應(yīng)設(shè)備中NH3的揮發(fā)程度，但低溫使得分子束與NH3的反應(yīng)速率減小。

較小的反應(yīng)速率可以在制備過程中對(duì)生成GaN膜的厚度進(jìn)行精確控制，有利于對(duì)該工藝中的生長(zhǎng)機(jī)理進(jìn)行深入研究，但對(duì)于外延層較厚的膜來說反應(yīng)時(shí)間會(huì)比較長(zhǎng)，在生產(chǎn)中發(fā)揮的效率欠佳，因此該方法只能用于一次制備少量的GaN薄膜，尚不能用于大規(guī)模生產(chǎn)。

2. 納米氮化鎵的制備

與制備單晶GaN相比，制備納米GaN要相對(duì)容易一些。目前在國外的一些文獻(xiàn)中報(bào)導(dǎo)了某些制備納米GaN的方法，使用這些方法可以制作出各種形態(tài)的納米氮化鎵，如納米粉末，納米線，納米棒等等。比如溶膠凝膠法，化學(xué)氣相沉積法，無機(jī)熱熔法等。

1）溶膠凝膠法：溶膠凝膠法(sol-gel)法一般采用鎵的某些配合物為前驅(qū)物，如用檸檬酸作為絡(luò)合劑，與鎵離子絡(luò)合形成[Ga(C6H6O7)]-絡(luò)離子，然后在80～90℃左右的溫度下進(jìn)行充分?jǐn)嚢柚梁隣詈罄^續(xù)攪拌2h左右，自然冷卻即可得到透明凝膠，該物質(zhì)為Ga2O3前驅(qū)物。

再將前驅(qū)物置于馬弗爐中以400℃左右的溫度加熱3～4h，可以將凝膠中混有的有機(jī)物充分分解。該過程可以將前驅(qū)物進(jìn)一步提純，以制備更好的納米氮化鎵粉末。

將加熱后的前驅(qū)物置于清潔的石英舟上，放入管式爐中，先用流動(dòng)的N2在較低溫度下烘干，以蒸發(fā)凝膠中的殘余有機(jī)物。再用流動(dòng)的氨氣在900～1000℃的溫度下反應(yīng)30～60min，這個(gè)過程稱為氨化或氮化過程。

反應(yīng)結(jié)束后在管式爐中通入氬氣或氮?dú)鈱⑹⒅劾鋮s至室溫，后從管式爐中取出，原先的透明凝膠轉(zhuǎn)化為一層淡黃色的粉末，該粉末即為納米氮化鎵。

采用溶膠凝膠法制備納米GaN粉末設(shè)備較為簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便易行，產(chǎn)物純度高，且制備前驅(qū)物使用的檸檬酸無毒無污染，是一種較為理想的制備方法。

主要參考資料

[1] 固體物理學(xué)大辭典

[2] 氮化鎵的合成制備及前景分析

[3] 氮化鎵GaN的特性及其應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展