GaN 的研究與應用是目前全球半導體研究的前沿和熱點，是研制微電子器件、光電子器件的新型半導體材料，并與 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后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(wěn)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 是第三代半導體材料的典型代表，是半導體照明中發(fā)光二極管的核心組成部分。GaN 是一種人造材料，自然形成氮化鎵的條件極為苛刻，需要2000℃ 的高溫和近萬個大氣壓的條件才能用金屬鎵和氮氣合成為 GaN，在自然界是不可能實現(xiàn)的。 大家都知道，第一代半導體材料是 Si，主要解決數(shù)據(jù)運算、存儲的問題；第二代半導體是以 GaAs 為代表，它被應用到于光纖通訊，主要解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}；第三代半導體則就是以 GaN 為代表，它在電和光的轉化方面性能突出，在微波信號傳輸方面的效率更高，所以可以被廣泛應用到照明、顯示、通訊等各大領域。1998年，美國科學家研制出了首個氮化鎵晶體管。

4.

氮化鎵的性能特點

高性能：主要包括高輸出功率、高功率密度、高工作帶寬、高效率、體積小、重量輕等。目前第一代和第二代半導體材料在輸出功率方面已經(jīng)達到了極限，而 GaN 半導體由于在熱穩(wěn)定性能方面的優(yōu)勢，很容易就實現(xiàn)高工作脈寬和高工作比，將天線單元級的發(fā)射功率提高 10 倍。 高可靠性：功率器件的壽命與其溫度密切相關，溫結越高，壽命越低。GaN 材料具有高溫結和高熱傳導率等特性，極大地提高了器件在不同溫度下的適應性和可靠性。GaN 器件可以用在 650°C 以上的軍用裝備中。 低成本：GaN 半導體的應用，能夠有效改善發(fā)射天線的設計，減少發(fā)射組件的數(shù)目和放大器的級數(shù)等，有效降低成本。目前 GaN 已經(jīng)開始取代 GaAs 作為新型雷達和干擾機的 T/R（收/發(fā)）模塊電子器件材料。

美軍下一代的固態(tài)有源相控陣雷達（AMDR）便采用了 GaN 半導體。氮化鎵禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導率大、電子飽和漂移速度高、抗輻射能力強和良好的化學穩(wěn)定性等優(yōu)越性質，使得它成為迄今理論上電光、光電轉換效率最高的材料體系，并可以成為制備寬波譜、高功率、高效率的微電子、電力電子、光電子等器件的關鍵基礎材料。

具有較寬帶隙的 GaN （3.4eV）及藍寶石等材料作襯底，散熱性能好，有利于器件在大功率條件下工作。隨著對 ⅢA 族氮化物材料和器件研究與開發(fā)工作地不斷深入，GaInN 超高度藍光、綠光 LED 技術已經(jīng)實現(xiàn)商品化，現(xiàn)在世界各大公司和研究機構都紛紛投入巨資加入到開發(fā)藍光 LED 的競爭行列。

5.

氮化鎵的應用

①?新型電子器件 GaN 材料系列具有低的熱產(chǎn)生率和高的擊穿電場，是研制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 制備出了金屬場效應晶體管（MESFET）、異質結場效應晶體管（HFET)、調(diào)制摻雜場效應晶體管（MODFET）等新型器件。調(diào)制摻雜的 AlGaN/GaN 結構具有高的電子遷移率（2000 cm2·v-1·s-1)、高的飽和速度(1×107?cm·s-1)、較低的介電常數(shù)，是制作微波器件的優(yōu)先材料；GaN 較寬的禁帶寬度（3.4 eV）及藍寶石等材料作襯底，散熱性能好，有利于器件在大功率條件下工作。 ② 光電器件 GaN 材料系列是一種理想的短波長發(fā)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范圍。

自從1991年日本研制出同質結 GaN 藍色 LED之后，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(chǎn)階段，從而填補了市場上藍色 LED 多年的空白。 藍色發(fā)光器件在高密度光盤的信息存取、全光顯示、激光打印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(fā)工作的不斷深入，GaInN 超高度藍光、綠光 LED 技術已經(jīng)實現(xiàn)商品化，現(xiàn)在世界各大公司和研究機構都紛紛投入巨資加入到開發(fā)藍光 LED 的競爭行列。 1993年，Nichia 公司首先研制成發(fā)光亮度超過 1 cd 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 450 nm，并實現(xiàn)產(chǎn)品的商品化。

1995年，該公司又推出了光輸出功率為 2.0 mW，亮度為 6 cd 商品化 GaN 綠光 LED產(chǎn)品，其峰值波長為 525 nm，半峰寬為 40 nm。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(fā)光器件產(chǎn)品，其色溫為 6500 K，效率達 7.5 Lm/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(chǎn)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(fā) ⅢA 族氮化物藍光 LED 之后，研究的重點開始轉向 ⅢA 族氮化物藍光 LED 器件的開發(fā)。

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 2 mW 連續(xù)工作的壽命突破 10000 h。HP 公司以藍寶石為襯底，研制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 上制作的 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 和索尼等公司之后，宣布研制成了 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，并且采用了垂直傳導結構（p 型和 n 型接觸分別制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，已研制出GaN紫外探測器，波長為 369 nm，其響應速度與 Si 探測器不相上下。但這方面的研究還處于起步階段。GaN 探測器將在火焰探測、導彈預警等方面有重要應用。

6.

新基建加速氮化鎵的發(fā)展

GaN 寬禁帶電力電子器件代表著電力電子器件領域發(fā)展方向，材料和工藝都存在許多問題有待解決，即使這些問題都得到解決，它們的價格肯定還是比硅基貴。由于它們的優(yōu)異特性可能主要用于中高端應用，與硅全控器件不可能全部取代硅半控器件一樣，SiC 和 GaN 寬禁帶電力電子器件在將來也不太可能全面取代硅功率 MOSFET、IGBT和 GTO（包括 IGCT）。SiC 電力電子器件將主要用于 1200 V 以上的高壓工業(yè)應用領域；GaN電力電子器件將主要用于 900 V 以下的消費電子、計算機/服務器電源應用領域。 GaN 作為第三代半導體材料，其性質決定了將更適合 5G 等技術的應用。

從現(xiàn)在的市場狀況來看，GaAs仍然是手機終端 PA 和 LNA 等的主流，而 LDMOS 則處于基站 RF 的霸主地位。但是，伴隨著 Si 材料和 GaAs 材料在性能上逐步達到極限，我們預計 GaN 半導體將會越來越多的應用在無線通信領域中。 第三代半導體射頻電子器件在民用和軍用領域都已實現(xiàn)規(guī)模化應用。尤其是，由于具備高頻、高功率、大帶寬的性能優(yōu)勢，氮化鎵射頻電子器件和模塊在 5G 移動通信基站建設中發(fā)揮著不可替代的作用，我國 5G 建設提速，將觸發(fā)對氮化鎵射頻電子器件需求的快速增長。

編輯：黃飛

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