菠菜网址最新网址 浅谈氮化镓的过去与未来

半导体行业在摩尔定律的“魔咒”下已经狂奔了50多年，一路上挟风带雨的，好不风光。不过随着半导体工艺的特征尺寸日益逼近理论极限，摩尔定律对半导体行业的加速度已经明显放缓。

未来，半导体技术的提升，除了进一步榨取摩尔定律在制造工艺上的最后一点“剩余价值”外，寻找硅（Si）以外新一代的半导体材料，也就成了一个重要方向。在这个过程中，氮化镓（GaN），近年来作为一个高频词汇，逐渐进入了人们的视野。

相对于硅（Si）、砷化镓（GaAs）、锗（Ge）甚至碳化硅（SiC）器件，氮化镓（GaN）器件可以在更高频率、更高功率、更高温度的情况下工作。另外，氮化镓（GaN）器件可以在1~110GHz 范围的高频波段应用，这覆盖了移动通信、无线网络、点到点和点到多点微波通信、雷达应用等波段。近年来，氮化镓(GaN)高频大功率微波器件已用于军用雷达、智能武器和通信系统等方面。5G的到来，氮化镓(GaN)微波器件将有望用于5G移动通讯基站等民用领域。

市调公司Yole预测，2016～2020年GaN射频器件市场将扩大至目前的2倍，市场复合年增长率（CAGR）将达到4%；2020年末，市场规模将扩大至目前的2.5倍。GaN在国防领域的应用主要包括IED干扰器、军事通讯、雷达、电子对抗等。GaN将在越来越多的国防产品中得到应用，充分体现其在提高功率、缩小体积和简化设计方面的巨大优势。

此外，由于氮化镓优异的光电特性和耐辐射性能，还可以用作高能射线探测器。GaN基紫外探测器可用于导弹预警、卫星秘密通信、各种环境监测、化学生物探测等领域，例如核辐射探测器，X射线成像仪等，但尚未实现产业化。

与近两年国内才形成了对氮化镓（GaN）材料的热烈讨论相比，国外早在2014年，美国雷声公司氮化镓晶体管技术获得突破之际，便已经开始了相关方面的深入研究。日本也紧随其后，2015年1月，富士通和美国Transphorm合作量产氮化镓功率器件；2015年3月，松下和英飞凌达成共同开发氮化镓功率器件的协议；同月，东芝照明技术公司开发出在电源中应用氮化镓功率元件的卤素LED灯泡。2016年3月，英国的科巴姆公司与韩国RFHIC公司开始联合开发GaN大功率放大器模块……

毫无疑问，占领氮化镓（GaN）半导体材料研究应用高地的依旧是美国、日本等这些西方国家。国内开展氮化镓（GaN）材料和器件方面的研究工作比较晚，与国外相比水平较低，加上我国材料的制造工艺和质量并未达到世界顶级，材料制造设备依赖于进口严重等问题，进一步阻碍了国内氮化镓（GaN）材料的研究进展和原始创新问题。

是机遇也是挑战。就像北京大学宽禁带半导体研发中心沈波教授所说，当前我国发展第三代半导体面临的机遇非常好，因为过去十年，在半导体照明的驱动下，氮化镓无论是材料和器件成熟度都已经大大提高，但第三代半导体在电力电子器件、射频器件方面还有很长的路要走，市场和产业刚刚启动，我们还面临巨大挑战，必须共同努力。

除此以外，氮化镓材料的三个发展难题，还尚未克服：一是如何获得高质量、大尺寸的GaN籽晶，因为直接采用氨热方法培育一个两英寸的籽晶需要几年时间；二是对于氮化镓材料，长期以来由于衬底单晶没有解决，异质外延缺陷密度相当高，因为氮化镓极性太大，难以通过高掺杂来获得较好的金属-半导体的欧姆接触，工艺制造较复杂；三是氮化镓产业链尚未完全形成。

2016年，我国启动了“十三五”国家重点研发计划“战略性先进电子材料”重点专项的组织实施工作，第三代半导体材料与半导体照明作为重点专项中最重要的研究领域，得到了国家层面的重点支持。

随着国家对氮化镓（GaN）半导体材料的重视和战略层面的扶持，加上我国在节能减排和信息技术方面快速发展的产业基础，我国将有望集中优势力量一举实现技术突破！