半导体材料——氮化镓

一片约5厘米直径的白色半透明、塑料质感的小圆片，在国际市场上的售价居然可以达到5000到7000美元；不但供不应求，而且由于国际贸易的技术壁垒，一片难求——这当然不是普通的塑料片，是被称为“第三代半导体材料”的氮化镓晶片。

　　氮化镓主要还是用于LED（发光二极管），微电子（微波功率和电力电子器件），场效电晶体(MOSFET)。

　　在被称作发光二极管的节能光源中，氮化镓已经使用了数十年。在一些平凡的科技产品，如蓝光碟片播放器里，氮化镓也有应用。但耐热和耐辐射的特性，让它在军事和太空领域应用广泛。如今，反弹道导弹雷达和美国空军用来追踪空间碎片的雷达系统“太空篱笆”也使用了氮化镓芯片。

　　第一代半导体是硅，主要解决数据运算、存储的问题；第二代半导体是以砷化镓为代表，它被应用到于光纤通讯，主要解决数据传输的问题；第三代半导体以氮化镓为代表，它在电和光的转化方面性能突出，在微波信号传输方面的效率更高，所以可以被广泛应用到照明、显示、通讯等各大领域。

　　氮化镓（化学式GaN）被称为“终极半导体材料”，可以用于制造用途广泛、性能强大的新一代微芯片，属于所谓宽禁带（wide-bandgap，氮化镓的禁带宽度是3.4 eV电子伏特）半导体之列，是研制高效率、高功率微电子器件、光电子器件的新型半导体材料。氮化镓，分子式GaN，英文名称Gallium nitride，是氮和镓的化合物，是一种直接能隙（direct bandgap）的半导体，自1990年起常用在发光二极管中。此化合物结构类似纤锌矿，硬度很高。氮化镓的能隙很宽，为3.4电子伏特，可以用在高功率、高速的光电元件中，其单芯片亮度理论上可以达到过去的10倍。例如氮化镓可以用在紫光的激光二极管，可以在不使用非线性半导体泵浦固体激光器（Diode-pumped solid-state laser）的条件下，产生紫光（405nm）激光。

　　氮化镓具有的直接带隙宽、原子键强、热导率高、化学稳定性好、抗辐射能力强、具有较高的内、外量子效率、发光效率高、高强度和硬度(其抗磨力接近于钻石)等特点和性能可制成高效率的半导体发光器件——发光二极管（Light－emittingdiode,简称为LED）和激光器（Laserdiode,简称为LD）。并可延伸至白光LED和蓝光LD。抗磨力接近于钻石特性将有助于开启在触控屏幕、太空载具以及射频(RF) MEMS等要求高速、高振动技术的新应用。

　　LED特别是蓝、绿光LED应用于大屏幕全彩显示、汽车灯具、多媒体显像、LCD背光源、交通信号灯、光纤通讯、卫星通讯、海洋光通讯、全息像显示、图形识别等领域。具有体积小、重量轻、驱动电压低（3.5－4.0V）、响应时间短、寿命长(100000小时以上)、冷光源、发光效率高、防爆、节能等功能。LD特别是蓝光LD因其具有短波长、体积小、容易制作高频调制等优点，可使现在的激光器读取器的信息存储量和探测器的精确性及隐蔽性都有较大提高，信息的寻道时间亦将大为缩短，在民用与军用领域有着巨大潜在用途，应用于光纤通讯、探测器、数据存储、光学阅读、激光高速印刷等领域，将会取代目前的红外光等激光器。白光LED是将蓝光LED与YAG荧光物质放在一起，其合成的光谱为白光，在不远的将来取代目前传统的白炽灯和日光灯，从而引起世界照明工业的革命。

　　从过往历史看，大约每20年左右会出现一种新型功率三极管，而技术变革会让行业内诞生一些并不为公众熟知的巨头公司。

　　1970年代，美国无线电公司（RCA）开发了一种氮化镓工艺来制造LED。

　　1991年， 曾研究出极性氮化镓材料的诺贝尔物理奖得主曾经工作过的日本日亚（Nichia）公司首先研制成功以蓝宝石为衬底的GaN蓝光发光二极管（LED），之后实现GaN基蓝、绿光LED的商品化。

　　90年代，自中村修二研发出蓝光LED以来，以第一代半导体发光材料为核心的固态显示及照明已走过20多个年头。

　　1998年，美国科学家研制出了首个氮化镓晶体管。

　　氮化镓是一种人造材料，自然形成氮化镓的条件极为苛刻，需要2000多度的高温和近万个大气压的条件才能用金属镓和氮气合成为氮化镓，在自然界是不可能实现的。

　　氮化镓场效应晶体管（FET）可以分立晶体管和单片半桥的形式来供应，其性能要比目前最好的商用硅MOSFET好10倍。相比主流的硅基MOSFET、IGBT，氮化镓器件的开关频率可以高出1000倍;能量损耗可以降低50%-90%;每瓦尺寸和重量降至原先的1/4，系统成本可以大幅降低。

　　GaN基蓝光半导体激光器主要用于制作下一代DVD，它能比现在的CD光盘提高存储密度20倍以上。利用GaN材料，还可以制备紫外（UV）光探测器，它在火焰传感、臭氧检测、激光探测器等方面具有广泛的应用。氮化镓衬底是高端氮化物半导体器件的基础，在未来超高亮度LED、蓝绿光激光器应用、功率微波电力电子器件等领域具有不可替代的重要意义，对于我国节能型通用照明、新一代激光投影显示产业、医疗仪器、智能电网及微波通信等相关行业的发展影响重大。此外，在电子器件方面，利用GaN材料，可以制备高频、大功率电子器件，有望在航空航天、高温辐射环境、雷达与通信等方面发挥重要作用。

　　射频氮化镓器件现在最大的市场是军事与航天领域。国防和航天应用占了射频氮化镓总市场规模的40%，雷达和电子战系统是射频氮化镓的最大应用市场。

　　技术能力方面中电13和55所最强，军用如果转民用就可以井喷了。

　　氮化镓应用在机载有源相控阵雷达。由于它在高温工作时无需制冷器而大大简化电子系统，减轻飞行重量。解放军歼-20配置的有源相控阵雷达，其中固态大功率芯片的核心器件，由中国电科五十五所张斌所设计。在三代半导体器件方面，张斌为中国电科首席科学家、化合物半导体领域专家，研制出中国第一块GaN功率放大器芯片，成为GaN功率芯片开创者之一，甚至达到国际先进水平。他在1985年东南大学研究生毕业后进入五十五所，从事微波毫米波单片集成电路研制工作。至今超过30年的时间一系列的荣耀让他近年获选为“国防科技工业有突出贡献的中青年专家”、“中央企业劳动模范”，作为第十一届全国人大代表，还受到了接见。（中电集团五十五所开发三维氮化镓组件）雷声公司正在将GaN和有源电扫阵列（AESA）纳入到“爱国者”雷达系统中。

　　2015年2月，美国政府批准雷声公司研制的装备有AESA/GaN的新型“爱国者”雷达(基于GaN的AESA赋予雷达360°的监视能力)入国际市场销售。

　　2016雷神公司宣布其爱国者导弹防御系统采用了最新的基于氮化镓技术的天线系统。

　　华为在做氮化镓HEMT（GaN HEMT可承受高电压，过电压能力达到750 V，并提供低导通电阻，而低压MOSFET提供低门极驱动和低反向恢复。HEMT是高电子迁移率晶体管的英文缩写，通过二维电子气在横向传导电流下进行传导。）。

　　近年来围绕GaN半导体器件的全球研发投入以及生产规模均快速增长，其中650V以下的平面型HEMT器件已经实现了产业化。

　　目前氮化镓的电力电子器件高压段耐压能力拼不过碳化硅，低压段价格拼不过硅，虽然理论上能耗更小体积更小，但暂时还无法大规模替代硅基的开关器件。硅的成本比当今最高容量的GaAs低3倍，比当今碳化硅基氮化镓 (GaN on SiC) 技术低100倍。硅行业的规模比GaAs手机市场高出两个数量级。

　　与砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）等高频工艺相比，氮化镓器件输出的功率更大；与LDCMOS（横向扩散MOS技术）和碳化硅（SiC）等功率工艺相比，氮化镓的频率特性更好。

　　氮化镓器件提供的功率密度比砷化镓器件高十倍。氮化镓场效应管器件提供的电流比砷化镓场效应管高二倍。氮化镓的化学键强度是砷化镓化学键的三倍。与硅器件相比，由于氮化镓的晶体具备更强的化学键，因此它可以承受比硅器件高出很多倍的电场而不会崩溃。氮化镓场效应管器件的工作电压比同类砷化镓器件高五倍。氮化镓在器件层面的热通量比太阳表面的热通量还要高五倍。碳化硅的导热性是砷化镓的六倍，是硅的三倍。碳化硅具有高导热性，这使它成为高功率密度射频应用的首选衬底。TriQuint 的氮化镓器件在200 摄氏度下工作100 万小时，失效率低于0.002%。

　　基站应用需要更高的峰值功率、更宽的带宽以及更高的频率，这些因素都促成了基站接受氮化镓器件。由于氮化镓特殊的晶体结构，同样的电压可以在更高的频率中实现，从而带来更高的功率和更好的效率性能，5G网络能处理比当前高达200倍的数据传输量，而无需大幅度增加功率消耗。

　　GaN作为第三代半导体材料，其性质决定了将更适合4G乃至未来5G等技术的应用。GaAs是手机终端PA和LNA等的主流，而LDMOS则处于基站RF的霸主地位（LDMOS技术的极限频率不超过3.5GHz，也不能满足视频应用所需的300MHz以上带宽）。基站是所有移动网络必须克服的一个瓶颈。伴随着Si材料和GaAs材料在性能上逐步达到极限，预计GaN半导体将会越来越多的应用在无线通信领域中。

　　目前全球功率转化器件每年约有150亿美元的市场规模，而氮化镓可以直接替代的市场至少可达20%，这还不包括尚待发展的领域，比如电动汽车等新兴潜力市场。

　　2014年，氮化镓系统公司成为全球最早实现氮化镓晶体管器件规模化量产的公司之一。氮化镓系统公司把氮化镓晶体管的目标市场锁定在消费电子、商业、工业和汽车四大主要领域。

　　松下研发出用于电源和马达控制的新一代半导体，将于2016年春季在日本国内企业中率先量产。新一代半导体采用氮化镓（GaN），能将耗电量控制在原来一半左右。

　　稻盛和夫做的精密陶瓷是电子功能陶瓷是新材料氮化镓。未来精密医疗器械和电子网络的芯片，大量会是陶瓷的，而最好的陶瓷只能来自京瓷。如此，京瓷在未来10至20年会引领一场实实在在的新材料革命。稻盛哲学几十年如一日，发挥优势，力出一孔，才拿出了引领新材料革命的产品。

　　氮化镓器件不能处理大约600伏以上的电压。这已经限制了它们在家用电器中的使用，但是这种情况很快就会改变。麻省理工学院的研究人员开发了一种新的功率变流器，能够在保持效率的同时处理更高的电压。事实上，容量有可能会上升到3300-5000伏的范围，这可能使得氮化镓的效率在电网中可用。

　　化合物半导体特别适用在5G与车用电子领域，晶圆代工大厂纷逐渐重视化合物半导体等新材料开发，台积电亦开始提供氮化镓(GaN)晶圆代工服务，后段晶圆测试厂如欣铨等也配合大客户，积极朝向车用电子应用前进。

　　GaN的生产成本很高，因为它们受碳化硅尺寸的影响。解决大尺寸半极性材料的生产难题。在LED领域，第一代氮化镓固体照明材料固有的极化效应会导致LED芯片的单位亮度始终过低，导致其相应终端产品需要的大量芯片，且无法满足大功率应用的需求。而新一代的半极性氮化镓材料虽然在理论上实现了超大功率单LED芯片，给业界指出了一条新明路，但却一直无法解决批量生产的问题。成立于2014年的初创公司Saphlux，研发了一种新技术，可以在标准的大尺寸蓝宝石衬底上直接生长半极性氮化镓，解决了量产难题。

　　上世纪90年代，美国国际整流器公司(International Rectifier，简称IR)的HEXFET为代表的MOSFET占领了功率半导体器件的舞台，成为一个几十亿美金销售的产品品类;2000年，德国英飞凌公司(Infineon Technologies)推出超结MOS管，凭借显著的性能提升，成为市场领导者，2014财年营收达43.2亿欧元。2014年，英飞凌公司以30亿美元现金收购IR，进一步整合功率半导体器件市场。

　　目前中国市场中，数据中心的服务器电源用户正非常踊跃积极的采纳氮化镓晶体管器件，以此大幅降低数据中心的电力消耗。

　　汽车市场，尤其是电动汽车市场是高效率功率转化器件前景最为广阔的待开发市场。氮化镓晶体管应用在电动汽车领域，通过大幅提升能量转化效率更高而使得让汽车减少电池使用，既能减轻汽车重量，又能降低汽车成本。汽车的设计开发周期通常为3至5年，因此氮化镓晶体管在汽车市场的大规模应用仍需时日。

　　根据爱立信的预测，从2015年至2021年，全球移动数据流量每年增长率为45%。

　　制造氮化镓器件有两种方式，一种是Qorvo和其他大多数厂商都采用的基于碳化硅的氮化镓射频工艺，一种是Macom主导的基于硅的氮化镓射频工艺。

　　两种工艺各有优劣。相比基于硅的氮化镓，基于碳化硅的氮化镓工艺有更高的功率密度、更好的热传导性。不过硅衬底比碳化硅衬底更便宜。

　　如今的手机射频前端模组包括功率放大器、射频开关及其他元器件（滤波器等）。用于放大输入信号的功率放大器通常采用砷化镓工艺。射频开关用于选择从功放到天线的信号路径，通常采用RF SOI工艺。

　　在2G和3G时代，手机射频前端都比较简单，2G有四个波段，3G有5个波段。但4G出现以后，射频前端变得非常复杂，全球4G波段超过40个，而全球销售的手机射频模组必须支持这些4G标准。

　　氮化镓技术非常适合4.5G或5G系统，因为频率越高，氮化镓的优势越明显。氮化镓功放适合3GHz以上的应用。4G后面的5G技术将会使传输速率达到10Gbps，是目前4G速度的100倍，4G手机里面的射频器件主要是砷化镓和SOI,G时代，砷化镓和SOI器件还会需要，同时也会采用氮化镓器件，尤其是在高频段。”

　　但对于手机而言，氮化镓材料还有很多难题需要解决，例如功耗、散热与成本。氮化镓采用的是场效应管（FET）结构，而手机功放则是用异质双结型晶体管（HBT）结构，HBT结构的效率和线性度更好。

　　现在氮化镓工艺尺寸正在从0.25微米至0.5微米向0.15微米转换。氮化镓功率器件还是一个新事物，一时半会儿不会取代现在600V的主流技术--功率MOSFET。