氮化镓（GaN）溅射靶材：材料特性、制备工艺、薄膜沉积机理与前沿应用

一、引言：为什么 GaN 是 21 世纪的关键半导体材料

氮化镓（Gallium Nitride，GaN）作为第三代宽禁带半导体材料，凭借其 高击穿电场、高电子饱和速度、高热稳定性与优异的导电性能，已成为 5G 通讯、电动汽车功率模块、固态电源、高亮度 LED、Micro-LED 显示、紫外激光器（UV Laser）以及航天器电子系统中的核心材料。

尽管 GaN 外延层主要通过 MOCVD、MBE 等方法实现，但 GaN 溅射靶材在缓冲层、过渡层、界面工程、薄膜晶体管、微结构光电薄膜、MEMS 以及探索型量子器件中扮演着越来越重要的角色。

GaN 靶材的高纯度、致密度、稳定性以及其对溅射工艺的适配性，直接决定了薄膜的结构质量、缺陷密度、电学性质与光学特性。本文将系统介绍 GaN 溅射靶材的材料基础、靶材制造方法、溅射工艺难点、薄膜特性及其在先进技术领域中的应用趋势。

二、GaN 的材料基础与物性特征

2.1 晶体结构

GaN 主要呈现 六方纤锌矿结构（Wurtzite），其具有如下特点：

强离子-共价混合键
晶体具极性（Ga-face vs N-face），影响生长方向和表面能
高机械强度
结构稳定性极强

GaN 的原子键能高，是其热稳定性强与溅射困难的重要原因。

2.2 主要物理与电子特性

参数	数值	技术意义
带隙（Eg）	3.4 eV	支撑紫外光电器件与高压器件
热导率	130–230 W/m·K	高热流密度场景中散热优势显著
击穿场强	~3.3 MV/cm	是 Si 的 10 倍以上
电子迁移率	900–1500 cm²/V·s	可实现高频、低损耗开关
饱和电子速度	2.5×10⁷ cm/s	高频通讯的核心指标

GaN 的这些特性使其成为 高压、高频、高温、强辐射环境下的技术首选材料。

三、GaN 靶材溅射的技术挑战

GaN 溅射不同于金属靶材或简单化合物靶材，其高键能、陶瓷硬脆特性及离子响应特性带来了许多工艺层面的困难：

3.1 溅射速率低

GaN 的键能极高，导致其在传统直流系统中 sputter yield 极低，沉积速率低于金属、氧化物等材料。

3.2 热分解倾向

GaN 在离子轰击或高温条件下容易分解为 Ga 和 N₂，造成：

薄膜中氮含量不足
靶材表面 roughening（粗化）
形成 Ga-rich 点缺陷
薄膜电学光学性能退化

3.3 高电阻 → 决定只能采用 RF 溅射

GaN 本质为高阻陶瓷，无法使用 DC 溅射，需要：

RF 溅射（13.56 MHz）
或脉冲 DC 溅射（对于 slightly conductive GaN）

RF 方式能提供稳定等离子体并降低 arcing 风险。

3.4 靶材易碎、易裂、易掉渣

陶瓷化合物靶材常见问题：

内应力不均导致裂纹
大面积靶材翘曲
热冲击导致边缘破碎
靶材颗粒剥落污染薄膜

因此，靶材致密度、微结构与背板结合方式至关重要。

四、GaN 溅射靶材的制造与工艺要求

4.1 原始粉末要求

纯度：99.9%（3N）– 99.999%（5N）
氧含量 ≤ 200 ppm
粉末粒径：1–5 µm
需避免水分吸附

粉体质量决定靶材最终的密度、机械性能与薄膜纯度。

4.2 常见靶材致密化技术

（1）热压烧结（Hot Pressing, HP）

常用方式
可达 95–98% 理论密度
微结构均匀

（2）热等静压（HIP）

全方位施压
可达接近 100% 理论密度
强度高、裂纹风险低
适用于高端科研与工业用靶材

（3）SPS 放电等离子烧结

加热速率快
保持晶粒小
越来越多用于研究级靶材生产

靶材密度越高，越能降低粒子脱落与 arcing。

4.3 背板焊接与散热工程

常用背板包括：

铜背板（Cu） —— 高热导
钼背板（Mo） —— 高温稳定性佳
铟焊（In Bonding） —— 低应力结合
弹性层（Elastomer Bonding） —— 降低热应力导致的开裂

背板工程在 GaN 应用中尤为关键，可显著提高靶材寿命与溅射稳定性。

五、GaN 薄膜的溅射沉积工艺与机理

5.1 常见 GaN 溅射方式

溅射方式	特点
RF 磁控溅射	主流方法，适用于绝缘靶材
反应溅射（Ga + N₂）	速率快，但需控制氮含量
脉冲 DC	用于微导电 GaN，降低 arcing
HiPIMS（高功率脉冲磁控溅射）	高致密度薄膜趋势

随着 HiPIMS 技术的发展，GaN 低温沉积质量提升显著。

5.2 GaN 薄膜生长机理

GaN 的薄膜生长受以下因素影响：

基底温度（200–800°C）
氮气 / 氩气配比
偏压调控
溅射能量（离子能量）
背板散热能力

GaN 生长主要经历：

初始成核（常用 AlN 或 SiNₓ 作为缓冲层）
晶粒生长
错位（dislocation）演化
结晶取向控制（c-axis oriented）

目标是获得：

高结晶性
低缺陷密度
高载流子迁移率
光吸收边陡峭

六、不同基底上的 GaN 溅射薄膜特性

基底	生长特性	应用场景
蓝宝石（Al₂O₃）	晶向好、层错低	Optoelectronics，传统 LED
Si（111）	成本低，兼容 CMOS	功率电子、GaN-on-Si 器件
SiC	最佳热匹配	HEMTs、军工雷达、高频领域
玻璃	无晶向，常为非晶	Micro-LED 转移、光学薄膜

GaN 的应用面非常广，根据不同应用选择不同基底。

七、GaN 薄膜的光、电、结构性能

7.1 光学性能

紫外吸收边约 365 nm
可用于 UV 探测器、UV LED
折射率 n≈2.0–2.3（550 nm）

7.2 电学性能

受控于：

氮空位（VN）数量
缺陷密度
成长温度
氮气分压

适当控制生长条件可调节其导电性。

7.3 结构性能

高温沉积可获得：

c-axis 优选取向
纳米晶结构
低应力裂纹薄膜

GaN 的结构工程可显著影响器件性能。

八、GaN 薄膜的五大核心应用领域

8.1 高电子迁移率晶体管（HEMT）

GaN HEMT 支撑：

5G 通信基站
雷达系统
卫星通讯
高速放大器

GaN 溅射薄膜常用作：

缓冲层（AlN/GaN 复合）
过渡层
应力调控膜

8.2 LED 与 Micro-LED

GaN 是蓝光 LED 及 Micro-LED 的核心材料。

溅射 GaN 的用途包括：

初始成核层
载流扩散层
应力管理层
结构修饰薄膜

其在显示行业中的重要性持续提升。

8.3 功率电子与新能源设备

GaN 在高压、高频场景中替代 Si：

电动汽车逆变器
快充电源
工控电源
航空电子设备

溅射 GaN 用于界面工程与极性调控。

8.4 UV 光电器件

GaN 可用于：

UVA/UVB 紫外 LED
UV 光电探测器
高能光学系统

溅射 GaN 可用于构建多层 UV 功能膜结构。

8.5 传感与 MEMS 器件

由于 GaN 的化学惰性与耐腐蚀性，可用于：

气敏传感器
高温传感器
压电驱动器
微机电开关

其在异质结构中的作用越来越重要。

九、GaN 与其他氮化物靶材的对比

材料	带隙	优势	应用
GaN	3.4 eV	平衡性最佳、高功率、光电	HEMT、LED、Micro-LED
AlN	6.2 eV	超宽禁带、热导率高	滤波器、UV-C LED
InN	0.7 eV	高迁移率，可调带隙	高速电子器件
SiNₓ	绝缘	保护膜、阻挡层	工艺级薄膜

GaN 在材料性能平衡性上独树一帜。

十、GaN 溅射技术的未来趋势

10.1 GaN-on-Diamond（钻石衬底 GaN）

未来高功率器件的方向
溅射薄膜用于界面热阻工程

10.2 低温沉积 GaN

适用于柔性电子
与 CMOS 工艺兼容

10.3 HiPIMS 提升 GaN 质量

更致密的薄膜
更低的缺陷密度
更好的附着力

10.4 GaN 在量子器件中的潜力