氮化鎵

1、疏水參數計算參考值（XlogP）：無

2、氫鍵供體數量：0

3、氫鍵受體數量：1

4、可旋轉化學鍵數量：0

5、互變異構體數量：無

6、拓撲分子極性表面積：23.8

7、重原子數量：2

8、表面電荷：0

9、複雜度：10

10、同位素原子數量：0

11、確定原子立構中心數量：0

12、不確定原子立構中心數量：0

13、確定化學鍵立構中心數量：0

14、不確定化學鍵立構中心數量：0

15、共價鍵單元數量：1

如果遵照規格使用和儲存則不會分解。

避免接觸氧化物，熱，水分/潮濕。

GaN在1050℃開始分解：2GaN(s)=2Ga(g)+N2(g)。X射線衍射已經指出GaN晶體屬纖維鋅礦晶格類型的六方晶系。

在氮氣或氦氣中當溫度為1000℃時GaN會慢慢揮發，證明GaN在較高的溫度下是穩定的，在1130℃時它的蒸氣壓比從焓和熵計算得到的數值低，這是由於有多聚體分子(GaN)x的存在。

GaN不被冷水或熱水，稀的或濃的鹽酸、硝酸和硫酸，或是冷的40%HF所分解。在冷的濃鹼中也是穩定的，但在加熱的情況下能溶於鹼中。

1、即使在1000℃氮與鎵也不直接反應。在氨氣流中於1050～1100℃下加熱金屬鎵30min可製得疏鬆的灰色粉末狀氮化鎵GaN。加入碳酸銨可提供氣體以攪動液態金屬，並促使與氮化劑的接觸。

2、在乾燥的氨氣流中焙燒磨細的GaP或GaAs也可製得GaN。

GaN材料的研究與應用是目前全球半導體研究的前沿和熱點，是研製微電子器件、光電子器件的新型半導體材料，並與SIC、金剛石等半導體材料一起，被譽為是繼第一代Ge、Si半導體材料、第二代GaAs、InP化合物半導體材料之後的第三代半導體材料。它具有寬的直接帶隙、強的原子鍵、高的熱導率、化學穩定性好（幾乎不被任何酸腐蝕）等性質和強的抗輻照能力，在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應用方面有著廣闊的前景。

GaN是極穩定的化合物，又是堅硬的高熔點材料，熔點約為1700℃，GaN具有高的電離度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5或0.43）。在大氣壓力下，GaN晶體一般是六方纖鋅礦結構。它在一個元胞中有4個原子，原子體積大約為GaAs的一半。因為其硬度高，又是一種良好的塗層保護材料。

在室溫下，GaN不溶於水、酸和鹼，而在熱的鹼溶液中以非常緩慢的速度溶解。NaOH、H2SO4和H3PO4能較快地腐蝕質量差的GaN，可用於這些質量不高的GaN晶體的缺陷檢測。GaN在HCL或H2氣下，在高溫下呈現不穩定特性，而在N2氣下最為穩定。

GaN的晶體結構主要有兩種，分別是纖鋅礦結構與閃鋅礦結構。

GaN的電學特性是影響器件的主要因素。未有意摻雜的GaN在各種情況下都呈n型，最好的樣品的電子濃度約為4×1016/cm3。一般情況下所製備的P型樣品，都是高補償的。

很多研究小組都從事過這方面的研究工作，其中中村報道了GaN最高遷移率數據在室溫和液氮溫度下分別為μn=600cm2/v·s和μn= 1500cm2/v·s，相應的載流子濃度為n=4×1016/cm3和n=8×1015/cm3。近年報道的MOCVD沉積GaN層的電子濃度數值為4 ×1016/cm3、<1016/cm3；等離子激活MBE的結果為8×103/cm3、<1017/cm3。

未摻雜載流子濃度可控制在1014～1020/cm3範圍。另外，通過P型摻雜工藝和Mg的低能電子束輻照或熱退火處理，已能將摻雜濃度控制在1011～1020/cm3範圍。

人們關注的GaN的特性，旨在它在藍光和紫光發射器件上的應用。Maruska和Tietjen首先精確地測量了GaN直接隙能量為3.39eV。幾個小組研究了GaN帶隙與溫度的依賴關係，Pankove等人估算了一個帶隙溫度係數的經驗公式：dE/dT=－6.0×10－4eV/k。 Monemar測定了基本的帶隙為3.503eV±0.0005eV，在1.6kT為Eg=3.503+（5.08×10－4T2)/(T－996) eV。

另外，還有不少人研究GaN的光學特性。

GaN材料的生長是在高溫下，通過TMGa分解出的Ga與NH3的化學反應實現的，其可逆的反應方程式為：

Ga+NH3=GaN+3/2H2

生長GaN需要一定的生長溫度，且需要一定的NH3分壓。人們通常採用的方法有常規MOCVD(包括APMOCVD、LPMOCVD)、等離子體增強MOCVD（PE—MOCVD）和電子迴旋共振輔助MBE等。所需的溫度和NH3分壓依次減少。本工作採用的設備是AP—MOCVD，反應器為卧式，並經過特殊設計改裝。用國產的高純TMGa及NH3作為源程序材料，用DeZn作為P型摻雜源，用（0001）藍寶石與（111）硅作為襯底採用高頻感應加熱，以低阻硅作為發熱體，用高純H2作為MO源的攜帶氣體。用高純N2作為生長區的調節。用HALL測量、雙晶衍射以及室溫PL光譜作為GaN的質量表徵。要想生長出完美的GaN，存在兩個關鍵性問題，一是如何能避免NH3和TMGa的強烈寄生反應，使兩反應物比較完全地沉積於藍寶石和Si襯底上，二是怎樣生長完美的單晶。為了實現第一個目的，設計了多種氣流模型和多種形式的反應器，最後終於摸索出獨特的反應器結構，通過調節器TMGa管道與襯底的距離，在襯底上生長出了GaN。同時為了確保GaN的質量及重複性，採用硅基座作為加熱體，防止了高溫下NH3和石墨在高溫下的劇烈反應。對於第二個問題，採用常規兩步生長法，經過高溫處理的藍寶石材料，在550℃，首先生長250A0左右的GaN緩衝層，而後在1050℃生長完美的GaN單晶材料。對於 Si襯底上生長GaN單晶，首先在1150℃生長AlN緩衝層，而後生長GaN結晶。生長該材料的典型條件如下：

NH3：3L/min

TMGa：20μmol/minV/Ⅲ=6500

N2：3～4L/min

H2：2<1L/min

人們普遍採用Mg作為摻雜劑生長P型GaN，然而將材料生長完畢后要在800℃左右和在N2的氣氛下進行高溫退火，才能實現P型摻雜。本實驗採用 Zn作摻雜劑，DeZ2n/TMGa=0.15，生長溫度為950℃，將高溫生長的GaN單晶隨爐降溫，Zn具有P型摻雜的能力，因此在本徵濃度較低時，可望實現P型摻雜。

但是，MOCVD使用的Ga源是TMGa，也有副反應物產生，對GaN膜生長有害，而且，高溫下生長，雖然對膜生長有好處，但也容易造成擴散和多相膜的相分離。中村等人改進了MOCVD裝置，他們首先使用了TWO—FLOWMOCVD（雙束流MOCVD）技術，並應用此法作了大量的研究工作，取得成功。雙束流MOCVD生長示意圖如圖1所示。反應器中由一個H2+NH3+TMGa組成的主氣流，它以高速通過石英噴平行於襯底通入，另一路由H2+N2 形成輔氣流垂直噴向襯底表面，目的是改變主氣流的方向，使反應劑與襯底表面很好接觸。用這種方法直接在α—Al2O3基板（C面）生長的GaN膜，電子載流子濃度為1×1018/cm，遷移率為200cm2/v·s，這是直接生長GaN膜的最好值。

GaN材料系列具有低的熱產生率和高的擊穿電場，是研製高溫大功率電子器件和高頻微波器件的重要材料。目前，隨著 MBE技術在GaN材料應用中的進展和關鍵薄膜生長技術的突破，成功地生長出了GaN多種異質結構。用GaN材料製備出了金屬場效應晶體管（MESFET）、異質結場效應晶體管(HFET)、調製摻雜場效應晶體管（MODFET）等新型器件。調製摻雜的AlGaN/GaN結構具有高的電子遷移率(2000cm2/v·s)、高的飽和速度(1×107cm/s)、較低的介電常數，是製作微波器件的優先材料；GaN較寬的禁帶寬度(3.4eV) 及藍寶石等材料作襯底，散熱性能好，有利於器件在大功率條件下工作。

GaN材料系列是一種理想的短波長發光器件材料，GaN及其合金的帶隙覆蓋了從紅色到紫外的光譜範圍。自從1991年日本研製出同質結GaN藍色 LED之後，InGaN/AlGaN雙異質結超亮度藍色LED、InGaN單量子阱GaNLED相繼問世。目前，Zcd和6cd單量子阱GaN藍色和綠色 LED已進入大批量生產階段，從而填補了市場上藍色LED多年的空白。以發光效率為標誌的LED發展歷程見圖3。藍色發光器件在高密度光碟的信息存取、全光顯示、激光印表機等領域有著巨大的應用市場。隨著對Ⅲ族氮化物材料和器件研究與開發工作的不斷深入，GaInN超高度藍光、綠光LED技術已經實現商品化，現在世界各大公司和研究機構都紛紛投入巨資加入到開發藍光LED的競爭行列。

1993年，Nichia公司首先研製成發光亮度超過lcd的高亮度GaInN/AlGaN異質結藍光LED，使用摻Zn的GaInN作為有源層，外量子效率達到2.7%,峰值波長450nm,並實現產品的商品化。1995年，該公司又推出了光輸出功率為2.0mW，亮度為6cd商品化GaN綠光 LED產品，其峰值波長為525nm，半峰寬為40nm。最近，該公司利用其藍光LED和磷光技術，又推出了白光固體發光器件產品，其色溫為6500K，效率達7.5流明/W。除Nichia公司以外，HP、Cree等公司相繼推出了各自的高亮度藍光LED產品。高亮度LED的市場預計將從1998年的 3.86億美元躍升為2003年的10億美元。高亮度LED的應用主要包括汽車照明，交通信號和室外路標，平板金色顯示，高密度DVD存儲，藍綠光對潛通信等。

在成功開發Ⅲ族氮化物藍光LED之後，研究的重點開始轉向Ⅲ族氮化物藍光LED器件的開發。藍光LED在光控測和信息的高密度光存儲等領域具有廣闊的應用前景。目前Nichia公司在GaN藍光LED領域居世界領先地位，其GaN藍光LED室溫下2mW連續工作的壽命突破10000小時。HP公司以藍寶石為襯底，研製成功光脊波導折射率導引GaInN/AlGaN多量子阱藍光LED。CreeResearch公司首家報道了SiC上製作的CWRT藍光激光器，該激光器彩霞的是橫

向器件結構。富士通繼Nichia，CreeResearch和索尼等公司之後，宣布研製成了InGaN藍光激光器，該激光器可在室溫下CW應用，其結構是在SiC襯底上生長的，並且採用了垂直傳導結構（P型和n型接觸分別製作在晶片的頂面和背面），這是首次報道的垂直器件結構的CW藍光激光器。

在探測器方面，已研製出GaN紫外探測器，波長為369nm，其響應速度與Si探測器不相上下。但這方面的研究還處於起步階段。GaN探測器將在火焰探測、導彈預警等方面有重要應用。

對於GaN材料，長期以來由於襯底單晶沒有解決，異質外延缺陷密度相當高，但是器件水平已可實用化。1994年日亞化學所製成1200mcd的 LED，1995年又製成Zcd藍光（450nmLED），綠光12cd(520nmLED);日本1998年制定一個採用寬禁帶氮化物材料開發LED的 7年規劃，其目標是到2005年研製密封在熒光管內、並能發出白色光的高能量紫外光LED，這種白色LED的功耗僅為白熾燈的1/8，是熒光燈的1/2, 其壽命是傳統熒光燈的50倍～100倍。這證明GaN材料的研製工作已取相當成功，並進入了實用化階段。InGaN系合金的生成，InGaN/AlGaN 雙質結LED，InGaN單量子阱LED，InGaN多量子阱LED等相繼開發成功。InGaNSQWLED6cd高亮度純綠茶色、2cd高亮度藍色 LED已製作出來，今後，與AlGaP、AlGaAs系紅色LED組合形成亮亮度全色顯示就可實現。這樣三原色混成的白色光光源也打開新的應用領域，以高可靠、長壽命LED為特徵的時代就會到來。日光燈和電燈泡都將會被LED所替代。LED將成為主導產品，GaN晶體管也將隨材料生長和器件工藝的發展而迅猛發展，成為新一代高溫度頻大功率器件。

一方面，在理論上由於其能帶結構的關係，其中載流子的有效質量較大，輸運性質較差，則低電場遷移率低，高頻性能差。

另一方面，現在用異質外延（以藍寶石和SiC作為襯底）技術生長出的GaN單晶，還不太令人滿意（這有礙於GaN器件的發展），例如位錯密度達到了108~1010/cm2（雖然藍寶石和SiC與GaN的晶體結構相似，但仍然有比較大的晶格失配和熱失配）；未摻雜GaN的室溫背景載流子（電子）濃度高達1017cm-3（可能與N空位、替位式Si、替位式O等有關），並呈現出n型導電；雖然容易實現n型摻雜（摻Si可得到電子濃度1015~1020/cm3、室溫遷移率>300 cm2/ V.s 的n型GaN），但p型摻雜水平太低（主要是摻Mg），所得空穴濃度只有1017~1018/cm3，遷移率<10cm2/V.s，摻雜效率只有0.1%~1%（可能是H的補償和Mg的自身電離能較高所致）。

①禁帶寬度大（3.4eV），熱導率高（1.3W/cm-K），則工作溫度高，擊穿電壓高，抗輻射能力強；

②導帶底在Γ點，而且與導帶的其他能谷之間能量差大，則不易產生谷間散射，從而能得到很高的強場漂移速度（電子漂移速度不易飽和）；

③GaN易與AlN、InN等構成混晶，能製成各種異質結構，已經得到了低溫下遷移率達到105cm2/Vs的2-DEG（因為2-DEG面密度較高，有效地屏蔽了光學聲子散射、電離雜質散射和壓電散射等因素）；

④晶格對稱性比較低（為六方纖鋅礦結構或四方亞穩的閃鋅礦結構），具有很強的壓電性（非中心對稱所致）和鐵電性（沿六方c軸自發極化）：在異質結界面附近產生很強的壓電極化（極化電場達2MV/cm）和自發極化（極化電場達3MV/cm），感生出極高密度的界面電荷，強烈調製了異質結的能帶結構，加強了對2-DEG的二維空間限制，從而提高了2-DEG的面密度（在AlGaN/GaN異質結中可達到1013/cm2，這比AlGaAs/GaAs異質結中的高一個數量級），這對器件工作很有意義。

總之，從整體來看，GaN的優點彌補了其缺點，特別是通過異質結的作用，其有效輸運性能並不亞於GaAs，而製作微波功率器件的效果（微波輸出功率密度上）還往往要遠優於現有的一切半導體材料。

因為GaN是寬禁帶半導體，極性太大，則較難以通過高摻雜來獲得較好的金屬-半導體的歐姆接觸，這是GaN器件製造中的一個難題，故GaN器件性能的好壞往往與歐姆接觸的製作結果有關。現在比較好的一種解決辦法就是採用異質結，首先讓禁帶寬度逐漸過渡到較小一些，然後再採用高摻雜來實現歐姆接觸，但這種工藝較複雜。總之，歐姆接觸是GaN器件製造中需要很好解決的一個主要問題。