氮化镓材料研究现状论文

随着市场对半导体性能的要求不断提高，第三代半导体等新型化合物材料凭借其性能优势开始崭露头角，成为行业未来重要增长点。 相对于第一代（硅基）半导体，第三代半导体禁带宽度大，电导率高、热导率高。第三代半导体的禁带宽度是第一代和第二代半导体禁带宽度的近3倍，具有更强的耐高压、高功率能力。 氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)并称为第三代半导体材料的双雄，由于性能不同，二者的应用领域也不相同。 氮化镓、高电流密度等优势，可显著减少电力损耗和散热负载，迅速应用于变频器、稳压器、变压器、无线充电等领域，是未来最具增长潜质的化合物半导体。 与GaAs和InP等高频工艺相比，氮化镓器件输出的功率更大；与LDCMOS和SiC等功率工艺相比，氮化镓的频率特性更好。 随着行业大规模商用，GaN生产成本有望迅速下降，进一步刺激GaN器件渗透，有望成为消费电子领域下一个杀手级应用。 GaN主要应用于生产功率器件，目前氮化镓器件有三分之二应用于军工电子，如军事通讯、电子干扰、雷达等领域。 在民用领域，氮化镓主要被应用于通讯基站、功率器件等领域。氮化镓基站PA的功放效率较其他材料更高，因而能节省大量电能，且其可以几乎覆盖无线通讯的所有频段，功率密度大，能够减少基站体积和质量。 氮化镓在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。随着5G高频通信的商业化，GaN将在电信宏基站、真空管在雷达和航空电子应用中占有更多份额。 根据Yole估计，大多数Sub 6GHz的蜂窝网络都将采用氮化镓器件，因为LDMOS无法承受如此之高的频率，而砷化镓对于高功率应用又非理想之选。 同时，由于较高的频率会降低每个基站的覆盖范围，需要安装更多的晶体管，因此市场规模将迅速扩大。 Yole预测，GaN器件收入目前占整个市场20%左右，到2025年将占到50%以上，氮化镓功率器件规模有望达到亿美元。 从产业链方面来看，氮化镓分为衬底、外延片和器件环节。 尽管碳化硅被更多地作为衬底材料（相较于氮化镓），国内仍有从事氮化镓单晶生长的企业，主要有苏州纳维、东莞中镓、上海镓特和芯元基等。 从事氮化镓外延片的国内厂商主要有三安光电、赛微电子、海陆重工、晶湛半导体、江苏能华、英诺赛科等。 从事氮化镓器件的厂商主要有三安光电、闻泰 科技 、赛微电子、聚灿光电、乾照光电等。 GaN技术的难点在于晶圆制备工艺，欧美日在此方面优势明显。由于将GaN晶体熔融所需气压极高，须采用外延技术生长GaN晶体来制备晶圆。 其中日本住友电工是全球最大GaN晶圆生产商，占据了90%以上的市场份额。GaN全球产能集中于IDM厂商，逐渐向垂直分工合作模式转变。美国Qorvo、日本住友电工、中国苏州能讯等均以IDM模式运营。 近年来随着产品和市场的多样化，开始呈现设计业与制造业分工的合作模式。 尤其在GaN电力电子器件市场，由于中国台湾地区的台积电公司和世界先进公司开放了代工产能，美国Transphorm、EPC、Navitas、加拿大GaN Systems等设计企业开始涌现。 在射频器件领域，目前LDMOS（横向扩散金属氧化物半导体）、GaAs（砷化镓）、GaN（氮化镓）三者占比相差不大，但据Yoledevelopment预测，至2025年，砷化镓市场份额基本维持不变的情况下，氮化镓有望替代大部分LDMOS份额，占据射频器件市场约50%的份额。 GaAs芯片已广泛应用于手机/WiFi等消费品电子领域，GaN PA具有最高功率、增益和效率，但成本相对较高、工艺成熟度略低，目前在近距离信号传输和军工电子方面应用较多。 经过多年的发展，国内拥有昂瑞微、华为海思、紫光展锐、卓胜微、唯捷创芯等20多家射频有源器件供应商。 根据2019年底昂瑞微董事长发表的题为《全球5G射频前端发展趋势和中国公司的应对之策》的报告显示，截至报告日，国内厂家在2G/3G市场占有率高达95%；在4G方面有30%的占有率，产品以中低端为主，销售额占比仅有10%。 目前我国半导体领域为中美 科技 等领域摩擦中的卡脖子方向，是中国 科技 崛起不可回避的环节，产业链高自主、高可控仍是未来的重点方向。第三代半导体相对硅基半导体偏低投入、较小差距有望得到重点支持，并具备弯道超车的可能。

新型半导体材料的研究和突破，常常导致新的技术革命和新兴产业的发展。以氮化镓为代表的第三代半导体材料，是继第一代半导体材料（以硅基半导体为代表）和第二代半导体材料（以砷化镓和磷化铟为代表）之后，在近10年发展起来的新型宽带半导体材料。 以氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体材料，内、外量子效率高，具有高发光效率、高热导率、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度和高硬度等特性，是世界上目前最先进的半导体材料。它的研究开发，不仅会带来IT行业数字化存储技术的革命，也将彻底改变人类传统照明的历史。 氮化镓材料可制成高效蓝、绿光发光二极管LED和激光二极管LD（又称激光器），并可延伸到白光LED，用高效率蓝绿光发光二极管制作的超大屏幕全色显示，可用于室内室外各种场合的动态信息显示，使超大型、全平面、高清晰、无辐射、低功耗、真彩色大屏幕在显示领域占有更大的比重。高效率白光发光二极管作为新型高效节能固体光源，使用寿命超过10万小时，可比白炽灯节电5－10倍，达到了节约资源、减少环境污染的双重目的。蓝光半导体激光器用于制作下一代DVD，可比现在的CD光盘提高存储密度20倍以上。另一方面，氮化镓材料宽带隙的特点也保证了它在高温、大功率以及紫外光探测器等半导体器件方面的应用前景，它具有高可靠性、高效率、快速响应、长寿命、全固体化、体积小等优点，在宇宙飞船、火箭羽烟探测、大气探测、火灾等领域内也将发挥重大作用。

（1） （2）N ；B（3）GaCl 3 +NH 3 =GaN+3HCl（4）共价键  原子（5）①sp 2    4   ②    （1）镓原子序数为31，所以其核外电子排布式为：1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 1 ，最外层电子为价电子，价电子排布式为：4s 2 4p 1 ，即4s轨道有一对自旋相反的电子，4p轨道只有一个电子，故答案为： ；（2）第一电离能同主族从上到下，越来越小，N元素为该主族最上面的元素，第一电离能最大；电负性从上到下，越来越小，镓所在族最上面的元素为B；（3）反应物为NH 3 和GaCl 3 ，生成物为GaN，不难判断出另一种产物为HCl，根据原子守恒写出化学方程式，故答案为：GaC l3 +NH 3 =GaN+3HCl；（4）由于氮化镓与金刚石具有相似的晶体结构，所以氮化镓为原子晶体，原子之间以共价键结合在一起；（5）①根据晶胞可以看到Ga可以相邻的三个N形成共价键，即Ga形成三条共价键，所以杂化类型为sp 2 杂化；观察晶胞结构发现N原子周围距离最近的Ga数目为4，即配位数为4。②GaN晶胞中，Ga位于顶点和体心，所以含有Ga数为：8× +1=2，N原子位于棱和体心，所以N数为：4× +1=2，GaN晶胞中含有两个GaN，晶胞边长为

因为氮化镓材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点，是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，并与SIC、金刚石等半导体材料一起，被誉为是第三代半导体材料。利亚德旗下的Saphlux公司，在这方面取得了很多好的成果。

Saphlux在半极性衬底市场占有率在90%以上，现在好多人都觉得氮化镓的利用价值更高，所以用氮化镓做半导体也会是一种趋势