全面了解第三代半導(dǎo)體—氮化鎵GaN

氮化鎵（GAN)是什么？

氮化鎵GaN材料的研究與應(yīng)用是目前全球半導(dǎo)體研究的前沿和熱點(diǎn)，是研制微電子器件、光電子器件的新型半導(dǎo)體材料，并與SIC、金剛石等半導(dǎo)體材料一起，被譽(yù)為是繼第一代Ge、Si半導(dǎo)體材料、第二代GaAs、InP化合物半導(dǎo)體材料之后的第三代半導(dǎo)體材料。它具有寬的直接帶隙、強(qiáng)的原子鍵、高的熱導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性好（幾乎不被任何酸腐蝕）等性質(zhì)和強(qiáng)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(yīng)用方面有著廣闊的前景。

氮化鎵（GAN）是第三代半導(dǎo)體材料的典型代表，在T=300K時(shí)為，是半導(dǎo)體照明中發(fā)光二極管的核心組成部份。氮化鎵是一種人造材料，自然形成氮化鎵的條件極為苛刻，需要2000多度的高溫和近萬(wàn)個(gè)大氣壓的條件才能用金屬鎵和氮?dú)夂铣蔀榈?，在自然界是不可能?shí)現(xiàn)的。

大家都知道，第一代半導(dǎo)體材料是硅，主要解決數(shù)據(jù)運(yùn)算、存儲(chǔ)的問(wèn)題；第二代半導(dǎo)體是以砷化鎵為代表，它被應(yīng)用到于光纖通訊，主要解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?wèn)題；第三代半導(dǎo)體則就是以氮化鎵為代表，它在電和光的轉(zhuǎn)化方面性能突出，在微波信號(hào)傳輸方面的效率更高，所以可以被廣泛應(yīng)用到照明、顯示、通訊等各大領(lǐng)域。1998年，美國(guó)科學(xué)家研制出了首個(gè)氮化鎵晶體管。

氮化鎵（GAN)的性能特點(diǎn)

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(dǎo)體材料在輸出功率方面已經(jīng)達(dá)到了極限，而GaN半導(dǎo)體由于在熱穩(wěn)定性能方面的優(yōu)勢(shì)，很容易就實(shí)現(xiàn)高工作脈寬和高工作比，將天線單元級(jí)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(guān)，溫結(jié)越高，壽命越低。GaN材料具有高溫結(jié)和高熱傳導(dǎo)率等特性，極大的提高了器件在不同溫度下的適應(yīng)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(dǎo)體的應(yīng)用，能夠有效改善發(fā)射天線的設(shè)計(jì)，減少發(fā)射組件的數(shù)目和放大器的級(jí)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(dá)和干擾機(jī)的T/R（收/發(fā)）模塊電子器件材料。美軍下一代的AMDR（固態(tài)有源相控陣?yán)走_(dá)）便采用了GaN半導(dǎo)體。氮化鎵禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速度高、抗輻射能力強(qiáng)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)越性質(zhì)，使得它成為迄今理論上電光、光電轉(zhuǎn)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(guān)鍵基礎(chǔ)材料。

GaN較寬的禁帶寬度(3.4eV) 及藍(lán)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(duì)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(lán)光、綠光LED技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商品化，現(xiàn)在世界各大公司和研究機(jī)構(gòu)都紛紛投入巨資加入到開發(fā)藍(lán)光LED的競(jìng)爭(zhēng)行列。

氮化鎵的應(yīng)用

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(chǎng)，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(shù)在GaN材料應(yīng)用中的進(jìn)展和關(guān)鍵薄膜生長(zhǎng)技術(shù)的突破，成功地生長(zhǎng)出了GaN多種異質(zhì)結(jié)構(gòu)。用GaN材料制備出了金屬場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MESFET）、異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HFET)、調(diào)制摻雜場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MODFET）等新型器件。調(diào)制摻雜的AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)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(shù)，是制作微波器件的優(yōu)先材料；GaN較寬的禁帶寬度(3.4eV) 及藍(lán)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。

光電器件

GaN材料系列是一種理想的短波長(zhǎng)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(zhì)結(jié)GaN藍(lán)色 LED之后，InGaN/AlGaN雙異質(zhì)結(jié)超亮度藍(lán)色LED、InGaN單量子阱GaNLED相繼問(wèn)世。目前，Zcd和6cd單量子阱GaN藍(lán)色和綠色 LED已進(jìn)入大批量生產(chǎn)階段，從而填補(bǔ)了市場(chǎng)上藍(lán)色LED多年的空白。以發(fā)光效率為標(biāo)志的LED發(fā)展歷程見圖3。藍(lán)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(jī)等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用市場(chǎng)。隨著對(duì)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(lán)光、綠光LED技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商品化，現(xiàn)在世界各大公司和研究機(jī)構(gòu)都紛紛投入巨資加入到開發(fā)藍(lán)光LED的競(jìng)爭(zhēng)行列。

1993年，Nichia公司首先研制成發(fā)光亮度超過(guò)lcd的高亮度GaInN/AlGaN異質(zhì)結(jié)藍(lán)光LED，使用摻Zn的GaInN作為有源層，外量子效率達(dá)到2.7%，峰值波長(zhǎng)450nm，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的商品化。1995年，該公司又推出了光輸出功率為2.0mW，亮度為6cd商品化GaN綠光 LED產(chǎn)品，其峰值波長(zhǎng)為525nm，半峰寬為40nm。最近，該公司利用其藍(lán)光LED和磷光技術(shù)，又推出了白光固體發(fā)光器件產(chǎn)品，其色溫為6500K，效率達(dá)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(lán)光LED產(chǎn)品。高亮度LED的市場(chǎng)預(yù)計(jì)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(yīng)用主要包括汽車照明，交通信號(hào)和室外路標(biāo)，平板金色顯示，高密度DVD存儲(chǔ)，藍(lán)綠光對(duì)潛通信等。

在成功開發(fā)Ⅲ族氮化物藍(lán)光LED之后，研究的重點(diǎn)開始轉(zhuǎn)向Ⅲ族氮化物藍(lán)光LED器件的開發(fā)。藍(lán)光LED在光控測(cè)和信息的高密度光存儲(chǔ)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前Nichia公司在GaN藍(lán)光LED領(lǐng)域居世界領(lǐng)先地位，其GaN藍(lán)光LED室溫下2mW連續(xù)工作的壽命突破10000小時(shí)。HP公司以藍(lán)寶石為襯底，研制成功光脊波導(dǎo)折射率導(dǎo)引GaInN/AlGaN多量子阱藍(lán)光LED。CreeResearch公司首家報(bào)道了SiC上制作的CWRT藍(lán)光激光器，該激光器彩霞的是橫向器件結(jié)構(gòu)。富士通繼Nichia，CreeResearch和索尼等公司之后，宣布研制成了InGaN藍(lán)光激光器，該激光器可在室溫下CW應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)是在SiC襯底上生長(zhǎng)的，并且采用了垂直傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)（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(bào)道的垂直器件結(jié)構(gòu)的CW藍(lán)光激光器。

在探測(cè)器方面，已研制出GaN紫外探測(cè)器，波長(zhǎng)為369nm，其響應(yīng)速度與Si探測(cè)器不相上下。但這方面的研究還處于起步階段。GaN探測(cè)器將在火焰探測(cè)、導(dǎo)彈預(yù)警等方面有重要應(yīng)用。

氮化鎵的未來(lái)發(fā)展

GaN寬禁帶電力電子器件代表著電力電子器件領(lǐng)域發(fā)展方向，材料和工藝都存在許多問(wèn)題有待解決，即使這些問(wèn)題都得到解決，它們的價(jià)格肯定還是比硅基貴。預(yù)計(jì)到2019年，硅基GaN的價(jià)格可能下降到可與硅材料相比擬的水平。由于它們的優(yōu)異特性可能主要用于中高端應(yīng)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(lái)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1200V以上的高壓工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域；GaN電力電子器件將主要用于900V以下的消費(fèi)電子、計(jì)算機(jī)/服務(wù)器電源應(yīng)用領(lǐng)域。

GaN作為第三代半導(dǎo)體材料，其性質(zhì)決定了將更適合4G乃至未來(lái)5G等技術(shù)的應(yīng)用。從現(xiàn)在的市場(chǎng)狀況來(lái)看，GaAs仍然是手機(jī)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(dá)到極限，我們預(yù)計(jì)GaN半導(dǎo)體將會(huì)越來(lái)越多的應(yīng)用在無(wú)線通信領(lǐng)域中。

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