氮化镓（GaN）是一种直接能隙（）的半导体，目前而言GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点，是研发微电子元件、光电子元件的新型半导体材料，并与SiC、金刚石等半导体材料一起，被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料以后的第三代半导体材料。它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好（几乎不被任何酸腐蚀）等性质和强的抗辐照能力，在光电子、高温大功率元件和高频微波元件应用方面有着宽广的前景。
目前对于GaN的制备则存在较多的技术难点，因为GaN熔点高，无法采用熔体的熔融制备单晶硅材料，必须采用低温高压技术，但低温生长是氮的解离压很高，目前无法得到大规格的单晶硅材料。所以常见的方法是在其他衬底上进行异质外延生长，故对于衬底材料有较高的要求，如要尽量采用同一系统的材料作为衬底、晶格失配度越小越好、材料热膨胀系数相仿、材料的成本和耐久度等。
「常见制备方式」
▍衬底式
蓝宝石与GaN晶格失配度高达14%，位错密度太大，n型本征含量太高和难以实现P型参杂的问题，一度被觉得是没有希望的材料，但通过研究目前蓝宝石衬底早已非常成熟。其工艺过程如下：
1.低温除杂：反应室炉温下降至1200℃，通入二氧化碳后低温燃烧消除衬底杂质，时间为10min。
2.缓冲层生长：炉温增加控制在530℃左右，在衬底上生长一层300埃厚的GaN缓冲层。
3.固溶：炉温下降至1150℃，保温7min，将高温的非晶缓冲层低温转化成多晶GaN缓冲层
4.GaN单晶硅生长：炉控温制在1160℃，在GaN缓冲层上生长一层0.5um的单晶硅。
5.N型GaN生长：将炉控温制在1160℃，生长GaN的同时掺Si（含量5~108/cm3），时间为1h。
6.多量子阱MQW生长：炉温降至750℃，先长一层InGaN（20埃），接着长一层GaN（140埃），连续长8个InGaN和GaN势阱势垒pair（160埃），整个MQW长度1200埃。调整掺In的含量可调整波长，用时约80min。
7.P型GaN生长：炉温升至930℃，长GaN的同时掺Mg，生长2000埃厚，时间20min。炉温降至800℃，GaN生长的同时掺Mg，长度150埃，时间2min。炉温增加至600℃，加热20min，打破Mg-H键，激活Mg的导电性。炉温增加至150℃，时间30min。
在这些技术的基础上早已衍生出更多的变种，如在金钢石衬底上制备GaN。金钢石与GaN的晶格与热匹配也无法结合，所以采用相像的技术，在外延生长之前将h-BN层（2.5um）从铜带上转移至金钢石表面，在通过MOCVD技术制备GaN。
另一种则是人为制备一个多晶的GaN薄层：通过在10Kv、20Kv和40Kv电流下进行等离子体注入将氮离子注入GaAs基底，多个能量确保氮离子的分布均匀的同时使表面非晶化更有效。
图：TRIM模拟的多晶硅中的甲烷深度曲线
然后在采用HF（浓度15%）预蚀5min去除氧化物，用溴（2%）和乙醇（98%）的混和物清洗表面，最后将GaAs晶圆在850℃退火2min。这些方法可以抛弃传统的蓝宝石或氧化铝作为衬底，使用氮等离子体浸没法在硅片中生成了一个牢靠的表层，此后就可以采用传统的技术如MOCVD等进行氮化镓外延生长。
▍不依赖衬底直接进行GaN制备
为了甩掉衬底的成本及材料特点带来的种种问题，也有积极寻求不采用衬底外延生长，采用其他技术直接进行GaN薄膜制备的方法。
第一种是通过水热反应和过磷酸钙物两步法合成2DGaN纳米片。
第一步是在GaCl3、HCl和去离子水的混和物中加入OAD、PVP和尿素，使用尿素的目的是减少PH值，避免Ga(OH)3的生成。随即用磁力搅拌器搅拌半个小时，并将搅拌好的氨水转移到衬有塑胶的碳钢高压容器中。设定水热反应的时间和体温为4h和230℃薄膜制备，通过过滤和干燥可以得到γ-Ga2O3。
第二步将γ-Ga2O3纳米片平铺在石英坩埚顶部，降低与气体的接触面积，此后将坩埚推到管式炉中间，之后开始升温的同时通入高含量乙炔拿来排出多余的空气并保持压力。当体温升到850℃后，停止通入氢气，并以让气体以设定的速率连续引入30min。最后停止通二氧化碳的同时通氢气，直到管式炉中心气温冷却至温度，之后取出石英坩埚薄膜制备，就可以得到2D氮化镓的纳米片。
图：2D氮化镓纳米片制备过程示意图
图：不同倍数下氮化镓形貌：140×,(b)5.5k×,(c)20k×,and(d)40k×
第二种是通过中频磁控溅射法在玻璃板上制备氮化镓薄膜。
这些方法通过一个改建过的中频磁控溅射系统，在40KHz下，将纯净的Ga（99.99%）倒入双磁控管靶，深度大概为3mm，并使用冷却水将体温控制在5℃。同时将硅酸钠玻璃基片用乙醇和丙酮进行超声清洗，并用去离子水冲洗后安装到基片支架上。溅射二氧化碳采用N2和Ar的混和二氧化碳，在4Pa的乙炔环境下进行10min的辉光放电清洗，再此过程中氮气比列或负压发生改变均会造成薄膜性能发生很大变化。
这些方法存在较多缺陷，薄膜性能过于依赖于沉积过程，若能量高于带隙被薄层吸收，则会形成曲线和无序，过程不够稳定，但中频磁控溅射技术促使在相对较低水温下在玻璃基底上沉积氮化镓成为了可能。
图：不同填充二氧化碳和负展宽下沉积在玻璃基板上的氮化镓薄膜X射线衍射图
「结语」
对于GaN性能元件来说，制备合格的GaN薄膜成为重中之重，而其中GaN的衬底材料和外延生长工艺则是最关键的步骤。
现今市面常见的方法是使用蓝宝石或氧化铝衬底，低温下生成缓冲层后进行GaN薄膜的外延生长，目前这些工艺比较成熟且成本可控，难点在于衬底材料的不匹配性及较高的生产衬底成本。
为此，诞生了不采用衬底直接合成GaN薄膜的形式，水热加酯化反应和中频磁控溅射是目前研究较多的方式，即使可以抛掉衬底材料的禁锢，但对于制备过程却有严格的要求，生产过程中是细微差别均会造成GaN性能发生天除草覆的变化，这也促使商业化仍有一定难度。但目前基于新能源行业的快速发展，GaN元件的需求日渐降低，对应的制备方式和工艺会迎来快速革新，为行业注入新鲜血液。