无氨氮化镓半导体生产被发现可提高晶体质量减少环境影响

如今，氮化镓 (GaN) 半导体的生长无需使用氨。氨是一种有毒化学物质，需要复杂的解毒系统才能将其释放到大气中。这项新技术不仅更加环保，而且能够以更低的成本高效、高质量地生长晶体。

科学家可以更高效地制造半导体，同时减少对原材料和能源的需求。日本名古屋大学的研究人员领导了这项研究，该研究发表在《科学报告》上。

GaN 是由镓 (Ga) 和氮 (N) 组成的化合物，可作为半导体。GaN 半导体因其能够处理高电压和电流的能力而广泛应用于移动基站、快速充电电源适配器、微波和毫米波通信、成像、射电天文学、电源开关和雷达系统(包括军事系统) 。

商业化生产 GaN 薄膜最常用的技术是金属有机化学气相沉积 (MOCVD)，该技术使用氨 (NH 3 ) 气作为添加到 Ga 中的氮源。然而，在此过程中氨的分解速率(称为分解效率)非常低。

“因此，需要消耗大量的氨，”通讯研究员阿伦·达西扬说。

“氨是一种剧毒且腐蚀性极强的气体，如果吸入，会对眼睛、皮肤和呼吸系统造成严重损害。由于氨的毒性很大，因此必须对大部分未使用的氨进行解毒和处理，这需要大量能源。这占了总生产成本的很大一部分，高达一半。”

为了生产活性氮，由名古屋大学 cLPS 系的 Masaru Hori 教授和 Kenji Ishikawa 教授领导的研究小组与 Dhasiyan 博士一起，通过向其中一个电极施加非常高频的功率(100 MHz)来激活氮(一种在大气中容易获得的气体)。

利用这项专利技术，该团队开发出了用于半导体器件的低成本、高质量 GaN 材料。“我们的方法称为 REMOCVD 方法，解决了 GaN 生长的三个问题，”Dhasiyan 解释道。

“它能够在较低温度下(约 800°C 而非 1,150°C 以上)生长 GaN 半导体;它使用氮气和氢气代替氨气，节省原材料并降低生产成本;并且还省去了从氨中提取氮的步骤，使该过程在较低温度下更快。”

他们的新晶体生长方法有望取代传统方法，因为该方法易于工业化，并且生产出的 GaN 半导体杂质更少。该团队希望新技术的开发能够增强低功耗 GaN 半导体器件，从而生产出更高效的功率器件。

目前，功率器件和低成本 LED 的应用需要 150-300 毫米大直径基板的工业设备。该团队安装了一台直径 300 毫米的 REMOCVD 系统来测试大规模生产。他们相信，使用 REMOCVD 的 GaN 的高生长速度和晶体质量将很快取代 MOCVD 方法。

“在 cLPS，我们使用 REMOCVD 方法生长了 GaN、氮化铝、氮化铟和氮化铝铟层，并发现在不使用任何氨气的情况下，在比 MOCVD 方法低得多的温度下生长所有这些常用的半导体材料非常有效，”Dhasiyan 表示。

“最令人兴奋的是，晶体质量和生长速度接近MOCVD，因此我们可以享受相同的质量水平，同时减少对环境的影响。”

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