氮化镓半导体材料研究与应用现状

发布时间：2022-03-25

　　电力电子、新能源、电动汽车、5G 通 讯、高 速 轨 道 列 车、能 源 互 联 网和智能工业等领域的兴起，对功率器件的性能提出了越来越高的要求。但传统硅(Si)器件已达到材料的物理极限，无法满足当前应用场景的需求。作为第 3代半导体材料的典型 代 表，氮 化 镓(GaN)在 1928年 由 Johason等人首次成功制备，在一个大气压下，其晶体一般呈六方纤锌矿结构，其化学性质稳定，具有宽带隙 (3.39eV )、高击穿电压(3×106 V/cm )、高电子迁移率(25℃，1000cm2 /V·s)、高异质结面电荷密度(1×1013cm-2)等诸多良好的电化学特性，相对于第 1代半导体材料Si和第2代半导体材料砷化镓(GaAs)器件而言，GaN器件可以在更高频率、更高功率、更高温度的情况下工作[1-3]，因而被认为是制备高温、高频、大功率器件的首选材料之一。当前，Si基半导体产业正面临投资回报率递减，GaN凭借其优异性能，有望促进半导体行业新的增长[4]。

　　基于G aN的重要战略意义，世界 各 国 相 继 出 台 措 施，推 进 其 材料 的 研 究 与 应 用。美 国 早 在 20世纪 80年 代 已 经 开 始 部 署 第 3代 半导 体 相 关 的 研 发 与 应 用，21世 纪初，美 国 国 防 部 先 进 项 目 研 究 局(DAR PA)先 后 启 动 了“宽 禁 带 半导 体 技 术 计 划”(Wi d e B a n d g a p S e m i c o n d u c t o r T e c h n o l o g y Initiative，WBGSTI)和“氮化物电子下一代技术计划”(Nitride Electronic NeX t-Genera tion Technology Program，NEXT)，旨在布局毫米波 GaN射频器件和提升GaN器件制造工艺，积极推动G aN宽禁带半导体技术的发展。美国的一系列战略部署引发了全球范围内的激烈竞争，欧洲、日本、韩国等也相继开展了相关研究。欧盟委员会下属的欧洲防务局(E DA)主导开展了“可制造的基于Si C衬底的G aN器件和G aN外延层晶圆供应链(Manufacturable GaN—SiC— Substrates And GaN Epitaxial Wafer Supply Chain，MANGA)”计划，旨在联合德国、法国、英国等，强化欧洲的GaN外延片和SiC衬底的区域内部供应能力。日本则通过“移动通讯和传感器领域半导体器件应用开发”“GaN半导体低功耗高频器件开发”等计划推动第 3代半导体在未来通信系统中的应用。韩国制定了“GaN 半导体开发计划”，在 2004—2008年间，政府和企业共计投入 12.08亿美元，推动韩国光电子产业发展。经过多年的发展，发达国家在G aN半导体材料、器件及系统的研究上取得了丰硕的成果，实现了从国防到民用领域的广泛应用。

　　本文归纳总结公开资料，梳理 G aN半导体材料的应用概况，结合文献计量和专利分析，进一步研究国内外GaN半导体材料的技术研发态势。

　　1 GaN 半导体材料应用概况

　　当 前，GaN半 导 体 材 料 的 应 用领域主要有半导体照明、电力电子器件、激光器与探测器等。此外，在太阳能电池、生物传感器等新兴领域亦有应用，但是目前仍处于实验室研发阶段。

　　1.1 半导体照明

　　半导体照明行业是GaN当前主流应用领域中发展最为迅速的，产业规模超百亿美元。从材料体系划分上看，半导体照明行业主要用到蓝宝石基氮化镓(GaN—on—Sapphire)、SiC 基氮化镓(GaN—on—SiC)和Si基氮化镓(GaN—on—Si)3种材料体系，分别对应不同的产品应用。其中，最成熟的是GaN—on—Sapphire体系，应用于大部分L E D照明。G aN—o n—Si C 散热效果较好，适用于低能耗、大功率的照明器件，但是较高的制造成本制约了其进一步推广与运用。G aN— o n—Si具有较大的成本优势，提高散热表现，因此GaN—on—Si LED技术也是业界一直关注的方向[4-5]。

　　1.2 电力电子器件

　　GaN在电力电子领域的应用仍处于起步阶段，市场规模仅为数亿美元。其应用主要集中在军事通讯、电子干扰、雷达等军用领域。在民用领域，主要应用于通讯基站、功率器件等领域。从材料体系上看，GaN—on— Si器件主要的应用于笔记本、高性能服务器、基站的开关电源等 200 ～1 200V 的中低压领域 ;而GaN—o n—Si C则集中在大于 1 200V的高压领域，如太阳能发电、新能源汽车、高铁运输、智能电网的逆变器等器件。作为实现 5G的关键材料，G aN器件的市场份额有望在 5G时代迎来较快增长。此外，G aN充 电 器 具 有 体 积 小、质 量轻、转换效率高、发热低、安全性强等优点，并随着全球智能设备销售量的快速增长，将带动G aN充电器快速占领快充市场[6]。

　　1.3 激光器和探测器

　　在激光器和探测器应用领域， G aN基激光器的频谱覆盖范围广，可实现蓝、绿、紫外激光器和紫外探测的制造。紫色激光器可用于制造数据存储盘空间比蓝光光盘高出 20倍的大容量光盘。除此之外，紫色激光器还可用于医疗消毒、紫外固化、荧光激励光源等应用。蓝色激光器可以和现有的红色激光器、倍频全固化绿色激光器一起，实现全真彩显示，进一步推进激光电视的应用。G aN基紫外探测器在抗干扰、抗恶劣环境、高灵敏度方面具有得天独厚的优势，可用于高速飞行物预警、核辐射监测、化学生物探测等领域，但离产业化仍有一定距离[8，9]。

　　2 基于文献计量的 GaN 半导体材料研发态势分析

　　在科学网(W e b o f S ci e n c e)中的科学引文索引扩展板(S C I— Expand)数据库对GaN半导体材料相关论文进行检索，共检索到相关论文 54 007篇。

　　对 1990—2020年间氮化镓半导体材料S C I论文的发文量进行分析(图 1所 示)，可 见 从 1990—2020年间，G aN半导体材料的年度发文量逐年上升。其中，在 1993—1999年间和 2018—2020年间，发文量增速较快，到 2020年，相关研究论文数量达 3 314 篇。年度发文量的持续上升，表明GaN 持续受到较高的关注。

　　分析论文通讯地址所在国家和地区，并根据发文量进行排序，结果如图 2所示。从发文国家和地区上看，美国、中国、日本、韩国和我国台湾地区发文量排名前 5，其中中国和美国的发文量相近，约一万篇，领先排名第 3 的日本较多。可见我国在G aN半导体材料领域的研究虽然较发达国家/地区晚，但目前在G aN半导体材料领域的基础研究已具有较多技术储备。

　　进一步对相关论文的发文通讯单位进行分析，前 10名如表 1所示。中国大陆 3所机构发文量进入全球前 10，分别为中国科学院、北京大学、西安电子科技大学，其中以中国科学院为通讯机构的文章主要来自中科院半导体研究所 ;我国台湾地区成功大学、台湾交通大学发文量分别排名第 3和第 4 ;国外加州圣巴巴拉分校、俄罗斯科学院、韩国全北国立大学等高校或科研院所发文较多。

　　对相关论文的关键词进行分析，如表 2所示。在制备方法上，金属有机化学气相沉积(M O C V D)、分子束外延(Molecular beam epitaxy)和金属有机气相外延(MOVPE)等关键词出现频次较高，表明外延工艺是研究人员的主要关注点 ;在应用方面， LED和高电子迁移率晶体管(HEMT)出现频次较高 ;此外，G aN纳米线、缺陷、掺杂也是研究人员关注的热点。

　　3 专利视角下的 GaN 半导体材料应用现状分析

　　在Incopa t专利分析平台对GaN 半导体材料相关专利进行检索和分析，从专利分布的角度了解当前块体纳米晶金属材料的应用现状及前景。截至检索日期，共检索到P CT专利 2 401件，中国有效专利 5 021件。

　　3.1 GaN 半导体材料专利总体情况

　　从图 3可见，2000—2019年间，全球GaN半导体材料领域的PCT专利数量呈缓慢上升，而我国虽然在该领域起步较晚，但中国有效专利数量在近 15年间增长迅速，表明我国在这段时间在本领域的研发投入较大，目前已具有一定数量的技术储备。

　　进一步分析P CT专利及我国有效专利的来源，结果见表 3和表 4。可见在G aN领域，全球P CT专利主要来自于日本、美国、中国、韩国和欧盟等国家和地区，其中日本、美国、欧盟在专利数量上优势明显。从专利数量看，前 10申请人均来自于日本和美国，占据全球P CT专利 26.28%;从申请人类型看，前 10申请人中有 9个为企业，仅有加州大学申请人类型为高校，可见PCT专利主要来源于企业。

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　　从国内有效专利上看，当前我国有效专利主要来自于广东、江苏、北京等省市，67.28%的专利申请人为企业，33.28%的专利申请人为大专院校和科研单位，而前 10申请人主要为高校或科研院所，西安电子科技大学、华南理工大学、中国科学院半导体研究所等机构有效专利数量排名前列。华灿光电股份有限公司、湘能华磊光电股份有限公司 2家企业分别排名第 1和第 3，这 2家企业均为LED照明领域企业。其中，华灿光电股份有限公司是目前国内第2大LED芯片供应商 ;湘能华磊光电股份有限公司是湖南省唯一1家 LED外延、芯片、应用产品全产业链企业，目前已形成了年产GaN基外延片和芯片 600万片的生产能力，公司外延片和芯片生产规模位居全国前列。

　　3.2 产业链与应用视角的 GaN 专利分布情况

　　产业链(单晶衬底→材料外延 →器件设计与制造)和应用(半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器)角度对当前我国有效专利进行分析，结果如图 4和图 5所示。

　　从产业链视角看，专利主要集中在G aN单晶衬底，占比达 44%;其次是材料外延，占比 31%。从应用层面看，专利大部分集中在半导体照明领域，占比达 71%，可见半导体照明仍然是当前GaN半导体材料的主要应用领域，并且有效专利数量在 2007—2016 年间增长迅速 ;电力电子器件领域的有效专利数量在 2013年之后，较之前有较快的增长 ;激光器和探测器领域的有效专利数量虽然在 2014年之后有一定增长，但总体数量较少。

　　4 结语

　　从论文以及专利的发表情况来看，随着 20世纪 90年代后材料生长和器件工艺水平的不断发展和完善，GaN半导体材料的相关研究发展迅速。在SC I论文数量方面，我国与美国发文量相近，遥遥领先其他国家 ;在专利方面，我国与美国、日本、欧盟等发达地区仍有较大的差距，PCT专利较为集中地掌握在美国、日本的知名电子电器企业手中。总体而言，我国在 GaN半导体材料的研究虽然较发达国家起步较晚，但是在近年在技术创新上已经有较好的储备，且在基础研究领域的技术较为雄厚。

　　从研究热点上看，研究大多针对 GaN在LED和HEMT上的应用。而工艺方法上，研究人员主要关注金属有机化学气相沉积、分子束外延、金属有机气相外延等材料外延方法和掺杂工艺。此外，GaN纳米线由于其错位密度低等优势[10]，可以大大提高其制备器件的性能，也备受关注。

　　从产业链及下游的应用领域分布来看，专利主要集中在G aN单晶衬底和材料外延环节 ;从应用层面看，国内有效专利主要集中在半导体照明领域，表明半导体照明是当前G aN半导体材料的主要应用领域 ;而电力电子器件领域有效专利数量在近年有较快增长，有望在未来一段时间迎来快速发展。——论文作者：余伟业

　　参考文献

　　[1] “先进半导体材料及辅助材料”编写组.中国先进半导体材料及辅助材料发展战略研究[J].中国工程科学,2020,22(05):10—19.

　　[2] 谢欣荣.第三代半导体材料氮化镓(GaN)研究进展[J].广东化工,2020,47(18):92—93.

　　[3] 盛蔡茂.氮化镓GaN的特性及其应用现状与发展[J].科学技术创新,2018(31):48—49.

　　[4] The 2018 GaN power electronics roadmap[J].Journal of Physics D Applied Physics,2018,51(16):163001.

　　[5] 李建飞.GaN基HEMT和LED结构的光电特性研究[D].济南 ：山东大学,2018.

　　[6] 冯晨,曾开文,孙浩,等.氮化镓半导体材料通信电源应用[J].电信工程技术与标准化,2021,34(7):20—23.

　　[7] 卢俊诚,陈迪.氮化镓器件在大功率电力电子系统中的应用[J].电力电子技术,2017,51(9):1—2.

　　[8] 袁明文.氮化镓在光电子和微电子器件中的应用[J].半导体技术,2001(6):16—19，39.

　　[9] 杨文献.用于紫外发光器件的AlGaN材料的生长及物性研究[D].合肥 ：中国科学技术大学,2019.

　　[10] 明帮铭.低维氮化镓纳米线结构调控及性能预测[D].北京 ：北京工业大学,2019.