半導(dǎo)體“黑科技”：氮化鎵（GaN）是何物？

氮化鎵（GaN）被譽(yù)為是繼第一代 Ge、Si 半導(dǎo)體材料、第二代 GaAs、InP 化合物半導(dǎo)體材料之后的第三代半導(dǎo)體材料，今天金譽(yù)半導(dǎo)體帶大家來簡單了解一下，這個(gè)材料有什么厲害的地方。

研發(fā)背景

氮化鎵（GaN）是一種人造材料，于1928年被人工合成，自然形成氮化鎵（GaN）的條件極為苛刻，需要2000多度的高溫和近萬個(gè)大氣壓的條件才能用金屬鎵和氮?dú)夂铣蔀榈墸℅aN），在自然界是不可能實(shí)現(xiàn)的。后面通過70年的技術(shù)改進(jìn)，于90年代開始被廣泛應(yīng)用于發(fā)光二極管上，研發(fā)之初是用于制造出顏色從紅色到紫外線的發(fā)光二極管。

認(rèn)識氮化鎵（GaN）

氮化鎵（GaN）是一種無機(jī)物，化學(xué)式GaN，是氮和鎵的化合物，是一種直接能隙（direct bandgap）的半導(dǎo)體。此化合物結(jié)構(gòu)類似纖鋅礦，硬度很高。GaN是極穩(wěn)定的化合物，又是堅(jiān)硬的高熔點(diǎn)材料，熔點(diǎn)約為1700℃。

物理外觀上氮化鎵（GaN）一般為黃色粉末，類鉛鋅礦晶體，摩爾質(zhì)量為 83.73 g/mol g · mol ? 1，熔點(diǎn)在 2500 ° C 以上，密度為 6.15 g/cm3。遇水能產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，且不可燃。

后來在應(yīng)用過程發(fā)現(xiàn)：氮化鎵（GaN）晶體可以在各種襯底上生長，包括藍(lán)寶石、碳化硅（SiC）和硅（Si）。在硅上生長 GaN 外延層可以使用現(xiàn)有的硅制造基礎(chǔ)設(shè)施，從而無需使用成本很高的特定生產(chǎn)設(shè)施，而且可采用低成本、大直徑的硅晶片。

應(yīng)用范圍

氮化鎵的應(yīng)用范圍十分廣闊，目前被廣泛用于軍工電子、通訊、功率器件、集成電路、光電子等領(lǐng)域中。而且氮化鎵（GaN）作為一種寬禁帶化合物半導(dǎo)體材料，具備禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導(dǎo)率大、開關(guān)頻率高，以及抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)勢。

其中，開關(guān)頻率高意味著應(yīng)用電路可以采用尺寸更小的無源器件；擊穿電壓高則意味著電壓耐受能力比傳統(tǒng)硅材料高，不會影響導(dǎo)通電阻性能，因此能夠降低導(dǎo)通損耗。種種優(yōu)勢加持下，氮化鎵成為了更好支持電子產(chǎn)品輕量化的關(guān)鍵材料，是目前最具發(fā)展前景的材料。

氮化鎵（GaN）在大功率、高溫、高頻、抗輻射的微電子領(lǐng)域，以及短波長光電子領(lǐng)域，有明顯優(yōu)于硅（Si）、鍺（Ge）、砷化鎵（GaAs）等第一代和第二代半導(dǎo)體材料的性能。它們具備高頻、高效、高功率、耐高壓、耐高溫、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)越性能，貼合節(jié)能減排、智能制造、信息安全等國家重大戰(zhàn)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(lián)網(wǎng)等產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級的重點(diǎn)核心材料和電子元器件，已成為全球半導(dǎo)體技術(shù)和產(chǎn)業(yè)競爭焦點(diǎn)。

第三代半導(dǎo)體材料五高特性

每一次新材料的發(fā)明和應(yīng)用，都是對行業(yè)的沖擊，沖擊中既有挑戰(zhàn)，也蘊(yùn)藏著機(jī)遇。把握好新材料的應(yīng)用對于廠商、行業(yè)、甚至國家都有巨大的發(fā)展意義。氮化鎵的發(fā)展與現(xiàn)狀就生動的詮釋了這一點(diǎn)——如今，屬于氮化鎵的賽道已開啟，前路還長，讓我們拭目以待！