現在、III 族化合物半導体材料、炭化ケイ素、酸化物半導体材料が主に第 3 世代の半導体材料です。 その中で、ＩＩＩ族化合物半導体材料は、一般に窒化ガリウム材料および窒化アルミニウム材料である。 酸化物半導体材料には、主に酸化亜鉛、酸化ガリウム、ペロブスカイトなどがあります。

バンドギャップが大きく、破壊電界が大きく、熱伝導率が高く、電子飽和率が高く、耐放射線性に優れているため、第3世代半導体は高電圧、高周波、大電流を実現するのに適しています。耐性のあるデバイスであり、デバイスの消費電力を削減できます。

1. 窒化ガリウムの開発経緯

GaNの開発は比較的遅れています。 1969年、マルスカのような日本の科学者は、水素化物蒸着技術を使用して、サファイア基板の表面に窒化ガリウム膜の広い領域を堆積させました。 しかし、材料の質の悪さやP型ドーピングの難しさから、かつては応用の見込みがないと考えられていました。

窒化ガリウムは、理論的に電気光学と光電の変換効率が最も高い材料であり、禁制帯幅が大きく、絶縁破壊電圧が高く、熱伝導率が高く、飽和電子ドリフト速度が高く、耐放射線性が高いという特徴があります。

有機金属化学蒸着 (MOCVD)、水素化物気相エピタキシー (HVPE)、および分子線エピタキシー (MBE) は、窒化ガリウムのエピタキシャル成長の主な方法です。 窒化ガリウムを成長させるための MOCVD の基本的な化学原理は、蒸気状態の Ga (CH) 3 とガス状の NH3 を反応チャンバーに通すことであり、一連の反応が高温環境で発生します。 最後に、ＧａＮエピタキシャル層が基板の表面上に形成される。

2. 窒化ガリウム材料のエピタキシャル成長の方法

2.1 GaN エピタキシャル成長のための MOCVD の準備プロセス

MOCVD 技術は、1968 年に Manasevit によって最初に提唱されました。原材料の純度とプロセスの改善に伴い、この方法は徐々に第 2 世代の半導体材料 (ヒ化ガリウムとリン インジウム) と第 3 世代の主要な成長プロセスになりました。半導体（窒化ガリウム材料）。 1993年、日亜化学の中村らは、MOCVD法を使用して、高品質のInGaNインジウム窒化ガリウムエピタキシャル層の調製を達成しました。これは、第3世代の半導体材料におけるMOCVDの重要性を示しています。

MOCVD の利点:

まず、反応物はガス状で反応チャンバーに入り、さまざまなガスの流れを正確に制御することで、エピタキシャル材料の厚さ、組成、およびキャリア密度を制御できます。

第二に、反応チャンバー内のガスの流れは速く、ガスを変えることで急峻なヘテロ接合界面を得ることができます。

第三に、不純物の少ない高品質の結晶が得られます。

最後に、装置は比較的単純で、大規模な工業生産に役立ちます。

2.2GaNエピタキシャルウェーハのハイドライド気相エピタキシープロセス

実際には、窒化ガリウム材料の初期成長方法は水素化物気相エピタキシー HVPE であり、これはもともと Maruska や他の科学者が窒化ガリウムエピタキシャル層. HVPE 反応は、通常、熱石英反応器内で大気圧で行われます。 化学反応は、気体の塩化水素が低温環境で金属ガリウムと反応して、気体の塩化ガリウムを生成することです。 次に、塩化ガリウムが高温環境でガス状のアンモニアと反応し、窒化ガリウム膜が形成されます。 この反応の副産物である塩化水素と水素は、ガス状で回収することができます。

HVPE による窒化ガリウムの調製には、化学反応、低温反応、および高温反応が必要です。 したがって、HVPE 反応器は、反応チャンバーを低温ゾーンと高温ゾーンに分割する必要があります。 一方、GaN 薄膜の制御可能な堆積を実現するには、このプロセスで多くのパラメータを調整する必要があります。

In the 1970s and 1980s, the HVPE method was extensively used for the growth of gallium nitride materials, but many defects were found in the application of HVPE. The prepared gallium nitride has a large number of crystal defects, the crystal quality is poor, and there are spatial parasitic reactions. Operating the HVPE method under normal pressure, a large number of gallium nitride particles caused by parasitic reaction will be deposited on the outlet of gallium chloride gas, the growth surface and the surface of the quartz glass tube wall in the reactor. Parasitic gallium nitride will not only consume gallium chloride, reducing the growth rate, resulting in damage to the gallium chloride pipeline, but also cause crystal defects.

Moreover, the doping cannot control well, and P-type doping is hard to achieve through this method. However, after the 1990s, because of its relatively simple equipment, HVPE was re-emphasized by the industry. The advances in technology have made a faster rate of gallium nitride growing by HVPE, and it is easy to produce large-area films with a better film uniformity.

2.3 The Method of MBE for Epitaxial Growth of GaN

Except for the MOCVD, MBE molecular beam epitaxy has become an important growth method for gallium nitride materials. The MBE is an epitaxial growth method for growing high-quality crystal films on the surface of a substrate, and this method should be carried out in a high vacuum or even an ultra-high vacuum environment.

Although the MBE growth rate is usually no more than 1 micron/hour, which means growing a single atomic layer per second or longer, it is easy to achieve precise control of film thickness, structure and composition, and it is easy to achieve the heterostructure and quantum structure of the steep interface;

The low epitaxial growth temperature reduces the lattice defects introduced by the different thermal expansion coefficients on the interface;

Compared to the chemical processes of HVPE and MOCVD, MBE is a physical deposition process, so it is no need to consider the impurity pollution caused by chemical reactions.

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