淺談第三代半導體的氮化鎵性能優勢

第三代半導體即寬禁帶半導體，以碳化硅和氮化鎵為代表，具備高頻、高效、高功率、耐高壓、耐高溫、抗輻射能力強等優越性能，切合節能減排、智能制造、信息安全等國家重大戰略需求，是支撐新一代移動通信、新能源汽車、高速軌道列車、能源互聯網等產業自主創新發展和轉型升級的重點核心材料和電子元器件，已成為全球半導體技術和產業競爭焦點。

圖1. 第三代半導體的性能優勢

1.

從能帶角度看三個半導體材料時代

第三代半導體材料在大功率、高溫、高頻、抗輻射的微電子領域，以及短波長光電子領域，有明顯優于硅（Si）、鍺（Ge）、砷化鎵（GaAs）等第一代和第二代半導體材料的性能。第三代半導體材料正在成為搶占下一代信息技術、節能減排技術及國防安全技術的戰略制高點，是戰略性新興產業的重要組成部分。

圖2. 第三代半導體的應用領域

從能帶角度看，可以劃分為三個半導體材料時代。 第一代半導體材料以 Si 和 Ge 等半導體材料為代表。其典型應用是集成電路，主要應用于低壓、低頻、低功率晶體管和探測器中，在未來一段時間，Si 半導體材料的主導地位仍將存在。但是 Si 材料的物理性質限制了其在光電子和高頻電子器件上的應用，如其間接帶隙的特點決定了它不能獲得高的電光轉換效率；較窄的帶隙（1.12 eV）使飽和電子遷移率較低（1450 cm2·V-1·s-1），不利于研制高頻和高功率電子器件。 第二代半導體材料以 GaAs 和磷化銦（InP）為代表。GaAs 的電子遷移率是 Si 的 6 倍，具有直接帶隙，故其器件相對硅器件具有高頻、高速的光電性能，是公認的通信用半導體材料。同時，GaAs 在軍事電子系統中的應用日益廣泛且不可替代。

然而，其禁帶寬度范圍僅涵蓋了 1.35 eV（InP）～2.45 eV（AlP），只能覆蓋波長 506～918 nm 的紅光和更長波長的光，無法滿足中短波長光電器件的需要。由于第二代半導體材料的帶隙較小，擊穿電場較低，極大地限制了其在高溫、高頻和高功率器件領域的應用。另外由于 GaAs 的毒性可能會引起環境污染問題，對人類健康存在潛在的威脅。 第三代半導體材料是指 Ⅲ?族氮化物（如氮化鎵（GaN）、氮化鋁（AlN）等）、碳化硅（SiC）、氧化物半導體（如氧化鋅（ZnO）、氧化鎵（Ga2O3）、鈣鈦礦（CaTiO3）等）和金剛石等寬禁帶半導體材料。與前兩代半導體材料相比，第三代半導體材料帶隙大，具有擊穿電場高、熱導率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強等優越性質，因此采用第三代半導體材料制備的半導體器件不僅能在更高的溫度下穩定運行，而且在高電壓、高頻率狀態下更為可靠，此外還能以較少的電能消耗，獲得更高的運行能力。

2.

氮化鎵材料發展潛力

GaN 是一種寬帶隙材料，它具有與 SiC 相似的性能優勢，但降低成本的可能性卻更大。業界認為，在未來數年間，GaN 功率器件的成本可望壓低到和硅 MOSFET、IGBT 及整流器同等價格。 GaN 電力電子器件具有更高的工作電壓、更高的開關頻率、更低的導通電阻等優勢，并可與成本極低、技術成熟度極高的硅基半導體集成電路工藝相兼容，在新一代高效率、小尺寸的電力轉換與管理系統、電動機車、工業電機等領域具有巨大的發展潛力。

由于對高速、高溫和大功率半導體器件需求的不斷增長，使得半導體業重新考慮半導體所用設計和材料。隨著多種更快、更小計算器件的不斷涌現，硅材料已難以維持摩爾定律。GaN 具有獨特的優勢，如噪聲系數優良、最大電流高、擊穿電壓高、振蕩頻率高等，為多種領域提供了獨特的應用，如軍事、宇航和國防、汽車領域，以及工業、太陽能、發電和風力等高功率領域。

由于 GaN 光電半導體在軍事、宇航、國防和消費電子的使用，光電半導體成為全球氮化鎵半導體器件市場的主要產品類型，并占據絕對優勢地位。其中功率半導體器件將隨著工業應用對大功率器件需求的增長成為未來增長速度最快的器件。

圖3. GaN 的性能優勢

對于 GaN 的功率器件發展而言，市場需求牽引力至關重要。從電源和功率因數校正（PFC）領域，到不間斷電源（UPS）和馬達驅動，很多應用領域都將從 GaN-on-Si 功率器件的特性中受益。 再隨著 5G 技術的逐漸成熟，帶給射頻前端晶片市場商機，未來射頻功率放大器（RF PA）需求將持續成長，其中傳統金屬氧化半導體（laterally diffused metal oxide semiconductor，LDMOS）制程逐步被 GaN 取代，尤其在 5G 技術下需要支援更多元件、更高頻率。

透過導入新的射頻技術，RF PA 將以新的制程技術實現，其中 GaN 的 RF PA 將成為輸出功率 3 W 以上的主流制程技術，LDMOS 市占率則逐漸降低。 因為 5G 技術涵蓋毫米波頻率和大規模多輸出、多輸入（multi-input multi-output，MIMO）天線運用，以實現 5G 無線整合及架構上的突破，未來如何大規模采用 massive-MIMO及毫米波回程系統將是發展關鍵。由于 5G 頻率高，因此對于高功率、高性能、高密度的射頻元件需求增加，其中 GaN 符合其條件，即 GaN 市場更具有潛在商機。

圖4. GaN 的性能優勢

3.

氮化鎵的發展潛力

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的。 大家都知道，第一代半導體材料是 Si，主要解決數據運算、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，主要解決數據傳輸的問題；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達到了極限，而 GaN 半導體由于在熱穩定性能方面的優勢，很容易就實現高工作脈寬和高工作比，將天線單元級的發射功率提高 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，能夠有效改善發射天線的設計，減少發射組件的數目和放大器的級數等，有效降低成本。目前 GaN 已經開始取代 GaAs 作為新型雷達和干擾機的 T/R（收/發）模塊電子器件材料。

美軍下一代的固態有源相控陣雷達（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定性等優越性質，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工作地不斷深入，GaInN 超高度藍光、綠光 LED 技術已經實現商品化，現在世界各大公司和研究機構都紛紛投入巨資加入到開發藍光 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)、調制摻雜場效應晶體管（MODFET）等新型器件。調制摻雜的 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，是制作微波器件的優先材料；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 已進入大批量生產階段，從而填補了市場上藍色 LED 多年的空白。 藍色發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工作的不斷深入，GaInN 超高度藍光、綠光 LED 技術已經實現商品化，現在世界各大公司和研究機構都紛紛投入巨資加入到開發藍光 LED 的競爭行列。 1993年，Nichia 公司首先研制成發光亮度超過 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，并實現產品的商品化。

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光器件產品，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 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。

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展

GaN 寬禁帶電力電子器件代表著電力電子器件領域發展方向，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規?；瘧?。尤其是，由于具備高頻、高功率、大帶寬的性能優勢，氮化鎵射頻電子器件和模塊在 5G 移動通信基站建設中發揮著不可替代的作用，我國 5G 建設提速，將觸發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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