摘要：GaN是一种新型的半导体材料，它是氮化镓的化合物，也是一种宽禁带半导体材料。GaN具备带隙大(3.4eV)、绝缘破坏电场大及饱和漂移速度大等特点，能够在更高压、更高频、更高温度的环境下运行，氮化镓通常用于微波射频、电力电子和光电子三大领域。

1引言

GaN是一种新型的半导体材料，中文名为氮化镓，英文名称是Gallium nitride。它是氮和镓的化合物，是一种直接能隙(Direct Bandgap)的半导体，也是一种宽禁带半导体材料。与碳化硅(SiC)一起成为“第三代半导体材料”，而第三代半导体材料正凭借其优越的性能和巨大的市场前景，成为全球半导体市场争夺的焦点。

与GaN相比，实际上同为第三代半导体材料的SiC的应用研究起步更早，而之所以GaN近年来更为抢眼，主要的原因有两点：第一，GaN在降低成本方面显示出了更强的潜力，目前主流的GaN技术厂商都在研发以Si为衬底的GaN的器件，以替代昂贵的SiC衬底；第二，由于GaN器件是个平面器件，与现有的Si半导体工艺兼体容性强，这使其更容易与其他半导体器件集成。

氮化镓(GaN)具有更高的击穿电压（使用GaN时大于200V),能够承受高的输入/输出错配（通常>15：1VSWR),具有更高的结温，平均无故障时间为一百万个小时。此外，它还具有热导率高、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度和高硬度等特性。相较于传统的硅基半导体，GaN能够提供显著的优性势来支持功率应用，这些优势包括在更高功率获取更大的节能效益，以致寄生功耗大幅降低；GaN材料也容许更多精简元件的设计以支持更小的尺寸外观。这与半导体行Si业一贯的“调性”是吻合的。

GaN首先从上世纪90年代开始在LED领域大放异彩，自20世纪初以来，GaN功率器件已经逐步商业化。2010年，第一个GaN功率器件由IR投入市场，自商用功率GaN器件首次发布以来，越来越多的企业进入该产业链。

氮化镓通常用于微波射频、电力电子和光电子三大领域。具体而言，微波射频方向包含了5G通信、雷达预警、卫星通讯等应用；电力电子方向包括了智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费电子等应用；光电子方向包括了LED、激光器、光电探测器等应用。

2   GaN结构特性

GaN是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为17O0℃，GaN具有高的电离度，在Ⅲ一V族化合物中是最高的(0.5或0.43)。在大气压力下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。

GaN作为一种宽禁带材料，和硅等传统半导体材料相比，能够在更高压、更高频、更高温度的环境下运行。从结构上看，Si是垂直型的结构，GaN是平面型的结构，这也使得GaN的带隙远大于Si。与SiC相比，GaN在成本方面表现出更强的潜力，且GaN器件是个平面器件，与现有的Si半导体工艺兼容性强，这使其更容易和其他半导体器件集成。

GaN具备带隙大(3.4eV)、绝缘破坏电场大及饱和漂移速度大等Si及GaAs不具备的特点。由于容易实现异质结构，因此在LED、半导体激光器、高频及高功率元器件等领域异的应用不断扩大。

氮化镓技术可以追溯到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。自上世纪90年代开始，基于GaN的LED大放异彩，目前已是LED的主流。现在市场上销售的很多LED就是使用蓝宝石衬底的氮化镓技术。除了LED,氮化镓也被使用到了微波射频、电力电子和光电子三大领域。具体而言，微波射频方向包含了5G通信、雷达预警、卫星通讯等应用；电力电子方向包括了智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费电子等应用；光电子方向包括了LED、激光器、光电探测器等应用。

基于氮化镓的功率芯片正在市场站稳脚跟。2010年，第一个GaN功率器件由IR投入市场，2014年以后，600 V GaN HEMT已经成为GaN器件主流。2014年，行业首次在8英寸SiC(碳化硅)上生长GaN器件.

列出化合物衬底的功率半导体对比

(1)禁带宽度长，泄漏电流减少，低功率高电压环境。

(2)高饱和电子漂移速度，较低，降低功损耗。高功率。

3)低介电常数，不易被击穿，耐高压，适用于高电压环境。

(4)高击穿电场强度，器件耐高压特性强，适用于高电压环境。

(5)热导率高，耐高温特性强，功率密度提升。散热要求低。

(6)工作温度高，耐高温。

3  GaN制备工艺

GaN制备工艺：HVPE工艺简单，系生产主流方式。HVPE工艺简单，生长速率快，系生产主流路线。氮化镓制备主要分气相法及熔体法，其中气相法细分为氢化物气相外延法(HVPE)、气相传输法。熔体法细分为高压氮气溶液法(HNPSG)、小助溶剂法/溶盐法、氨热法，提拉法。相较而言，HVPE法厚膜质量及生长速率更高，系主流生产方式。

HVPE原理：整个过程在一个多层次温区热壁反应系统的完成，在温度为850oC温区内放入金属Ga,呈液态，后从热壁上层注入HCI气体，形成GaCI气体，后将GaC1气体传送至衬底，在1000oC~1100oC温度下与氨气(NH3)反应，最终生成GaN晶体。

表2氮化镓制备方法对比

方法           制备方法              优点                          缺点

气相法         HVPE法            工艺简单；生长速度快；          无法生长量子阱

                                  厚层GaN缺陷密度小              和超晶格结构

气相法        气相传输法           设备简单，经济               GaN晶体质量差，仍

                                                                有技术问题有待解决

熔体法         HNPS法             单晶质量高                    需要高温高压，对设

                                                              备要求苛刻，温度、压

                                                              力的控制非常复杂

熔体法        助溶剂法 /熔热法    可适当降低压力            成核密度大，很难生长出

                                                            大块单晶

 熔体法       氨热法              生长温度低                生长速度太慢，很难得到

                                                            高纯度材料

4 GaN产业链

典型的GaN射频器件的加工工艺主要包括外延生长器件隔离一欧姆接触（制作源极、漏极）一氮化物纯化-栅极制作一场板制作一衬底减薄一衬底通孔等环节。

GaN与SiC产业链类似，GaN器件产业链各环节依次为：GaN单晶衬底（或SiC、蓝宝石、Si)→GaN材料外延→器件设计→器件制造。目前产业以IDM企业为主，但是设计与制造环节已经开始出现分工，如传统硅晶圆代工厂台积电开始提供GaN制程代工服务，国内的三安集成也有成熟的GaN制程代工服务。各环节相关企业来看，基本以欧美企业为主，中国企业已经有所涉足。

(1)GaN衬底

衬底的选择根据应用的需求而变化。目前市场上GaN晶体管主流的衬底材料为蓝宝石，SiC和Si,GaN衬底由于工艺、成本问题尚未得到大规模商用。蓝宝石衬底一般用于制造蓝光LED,通常采用MOCVD法外延生长GaN。

SiC衬底应用较广。SiC村底在4G时代被逐步推广和应用，由于5G频率高于4G,我们预计GaN-on-SiC将在Sub-6GHz得到广泛应用。目前SiC衬底主要以4寸、6寸为主，随着8寸SIC晶圆生产工艺成熟，未来有望降低SiC衬底的使用成本。GaN-on-Si主要用于功率器件，2019年Q1 GaN-on-Si仍处于小规模量产，但因为硅片尺寸已经达到12寸，未来有望依靠成本优势得到大规模推广。

GaN衬底主流产品以2、3英寸为主，4英寸也已经实现商用。GaN村底主要由日本公司主导，日本住友电工的市场份额达到90%以上，我国目前已实现产业化的企业包括苏州纳米所的苏州纳维科技公司和北京大学的东莞市中镓半导体科技公司

(2)GaN外延片

根据村底的不同主要分为GaN-on-Si、GaN-on-SiC,GaN-on-sapphire,GaN-on-GaN四种

①GaN-on-Si:目前行业生产良率较低，但是在降低成本方面有着巨大的潜力：因为SI是最成熟、无缺陷、成本最低的衬底材料；同时Si可以扩展到8寸晶圆厂，降低单位生产成本，使其晶圆成本与SIC基相比只有其百分之一；Si的生长速度是于SiC晶体材料的200至300倍，还有相应的晶圆厂设备折旧以及能耗成本上的差别等GaN-on-Si外延片主要用于制造电力电子器件，其技术趋势是优化大尺寸外延技术。

②GaN-on-SiC:结合了SiC优异的导热性和的GaN高功率密度和低损耗的能力，是RF的合适材料。受限于SiC的衬底，目前尺寸仍然限制在4寸与6寸，8寸还没有推广。GaN-on-SiC外延片主要用于制造微波射频器件。

③GaN-on~sapphire:主要应用在LED市场，主流尺寸为4英寸，蓝宝石衬底GaN LED芯片市场占有率达到90%以上。

④GaN-on-GaN:采用同质衬底的GaN主要应用市场是蓝/绿光激光器，应用于激光显示、激光存储、激光照明等领域。

(3)GaN器件设计与制造

GaN器件分为射频器件和电力电子器件，射频器件产品包括PA,LNA、开关器、MMIC等，面向基站卫星、雷达等市场；电力电子器件产品包括SBD、常关型FET、常开型FET级联(Cascode)FET等产品，面向无线充电电源开关、网络跟踪、逆变器、变流器等市场。

按工艺分，则分为HEMT、HBT射频工艺和SBD、Power FET电力电子器件工艺两大类。

5GaN应用

5.1射频应用分析

GaN在高温、高频、大功率射频应用中独具优势自20年前出现首批商业产品以来，GaN已成为射频功率应用中LDMOS和GaAs的重要竞争对手，其性能和可靠性不断提高且成本不断降低。目前在射频GaN市场上占主导地位的GaN-on-SiC突破了4G LTE无线基础设施市场，并有望在5G的Sub-6GH2实施方案的RRH(Remote Radio Head)中进行部署。

(1)波束赋形信号处理

与4G系统相比，5 G mMIMO具有更多收发器和天线单元，使用波束赋形信号处理将射频能量传递给用户。mMIM0系统可将192个天线单元连接到64个发送接收(TRx)FEM,这些TRx FEM具有16个收发器RFIC和4个数字前端(DFE,与典型的LTE 4T MMO中的4个收发器相比，数字信号处理性能可提高16倍。5 G mMIMO设计下，急剧增加的信号处理硬件极大影响了系统尺寸，信号处理的功耗也在逼近板载功率放大器的功耗，在某些情况下，甚至已经超过了板载功率放大器的功耗。

mMIMO设计有助于减少传统收发器架构中模数、数模转换所需的步骤，从而缩小5G天线的尺寸和重量与LDMOS器件相比，硅基GaN提供了良好的宽带性能和卓越的功率密度和效率，能满足严格的熟规范，同时为紧密集成的mMIMO天线阵列节省了宝贵的PCB空间。

(2)毫米波领域

GN非常适合毫米波领域所需的高频和宽带宽，可满足性能和小尺寸要求。使用mmWave频段的应用将需要高度定向的波束成形成技术，这意味着射频子系统将需要大量有源元件来驱动相对紧凑的孔径。GN非常适合这些应用，因为小尺寸封装的强大性能是GaN最显著的特征之一。

在高功率放大器方，LDMOS技术由于其低频限制只在高射频功率方面取得了很小进展。GaAs技术能够在1O0GHz以上工作，但其低导热率和工作电压限制了其输出功率水平。50V GaN/SiC技术在高频下可提供数百瓦的输出功率，并能提供雷达系统所需的坚固性和可靠性。HV GaN/SiC能够实现更高的功率，同时可显著降低射频功率晶体管的数量、系统复杂性和总成本。

5.2电力电子应用

电力电子应用推动快充、汽车电子进入小体积、高效率时代。

5.2.1GaN在汽车电子上拥有多样的应用

(1)改进电源管理

GaN技术有望大幅改进电源管理、发电和功率输出等应用。2005年电力电子领域管理了约30%的能源，预计到2030年，这一数字将达到80%。这相当于节约了30亿千瓦时以上的电能，这些电能可支持30多万个家庭使用一年。从智能手机充电器到数据中心，所有直接从电网获得电力的设备均可受益于GaN技术，从而提高电源管理系统的效率和规模。

(2)高频应用

由于材料特性的差异，SiC在高于1200V的高电压、大功率应用具有优势，而GaN器件更适合40~1200V的高频应用，尤其是在600V/3KW以下的应用场合。因此，在微型逆变器、伺服器、马达驱动、UPS领域，GaN可以挑战传统MOSFET或IGBT器件的。GaN让电源产品更为轻薄、高效。

5.2.2 GaN 可为下一代充电器市场提供更优选择

GaN在未来几年将在许多应用中取代硅，其中，快充是第一个可以大规模生产的应用。在600伏特左右的电压下，GaN在芯片面积、电路效率和开关频率方面的表现明显好于硅，因此在壁式充电器中可以用GN来替碳代硅。5G智能手机的屏幕越来越大，与之对应的是手机续航的需求越来越高，这意味着电池容量的增加。GaN快充技术可以很好地解决大电池带来的充电时长问题。

在非常高的电压、温度和开关频率下，GaN与硅相比具有优越的性能，可显著提高能源效率。功率GN于2018年中后期在售后市场中出现，主要是Anker、Aukey和RAVpower的24至65瓦充电器。

在1990年代对分立GaN及2000年代对集成GaN进行了多年学术研究之后，Navitas的GaNFast源集成电路现已成为业界公认的，具有商业吸引力的下一代解决方案。它可以用来设计更小、更轻、更快的充电器和电源适配器。单桥和半桥的GaNFast电源IC是由驱动器和逻辑单片集成的65OV硅基GaNFET,采用四方扁平无引线(QFN)封装。GaNFast技术允许高达10MH2的开关频率，从而允许使用更小、更轻的无源元件。此外，寄生电感限制了Si和较早的分立GaN电路的开关速度。而集成可以最大限度地减少延迟和消除寄生电感。

5,3光电子领域应用

GaN是蓝光LED的基础材料，在Micro LED、紫外激光器中有重要应用

1993年，Nichia公司中村修二推出了第一只高亮度GaN蓝光LED,解决了自1962年LED问世以来高效蓝光缺失的问题，1996年又首次在蓝光LED上涂覆黄色荧光粉从而实现白光发射，开启了LED白光照明的新时代。

(1)Micro LED

Micro LED是新一代显示技术，比现有的OLED技术亮度更高、发光效率更好，但功耗更低。Micro LED显示技术可以将LED结构设计薄膜化、微小化与阵列化，尺寸仅约1~100um等级，但精准度可达传统LED的1万倍。此外，Micro LED在显示特性上与OLED类似，无需背光源且能自发光，唯一区别是OLED为有机材料自发光。目前OLED受各大厂商青睐，是因为在反应时间，视角、可挠性、显色性与能耗等方面均优于TFTLCD,但Micro LED更容易准确调校色彩，且有更长发光寿命和更高亮度。Miero LED有望继OLED之后，成为另一项推动显示品质的技术商用的12英寸及以上的硅圆晶已经完全成熟，随着高均匀度MOCVD外延大腔体的推出，硅衬底LED外延升级到更大圆晶尺寸不存在本质困难。因此，硅衬底GaN基技术的特性是制造Micro LED芯片的天然选择。

(2)制备紫外光器件

氮化镓(GaN)因其材料的高频特性是制备紫外光器件的良好材料，紫外光电芯片具备广泛的军民两用前景。在军事领域，典型的军事应用有：灭火抑爆系统（地面坦克装甲车辆、舰船和飞机）、紫外制导、紫外告警、紫外通信、紫外搜救定位、飞机着舰（陆）导引、空间探测。核辐射和生物成剂监测、爆炸物检测等。在民用领域，典型的应用有：火焰探测、电晕放电检测、医学监测诊断、水质监测，大气监测、刑事生物检测等。由比可见，GN在光电子学和微电子学领域有广泛的应用，其中GaN基紫外激光器在紫外固化、紫外杀菌等领域有重要的应用价值，也是国际上的研究热点。

6结语

(1)我国GaN产品逐步从小批量研发、向规模化商业化生产发展。GaN单晶衬底实现2-3英寸小批量产业化，4英寸已经实现样品生产。GN异质外延衬底已经实现6英寸产业化，8英寸正在进行产品研发。GaN材料应用范围含LED向射频、功率器件不断扩展。

(2)射频器件方面，GaN受到5G推动。GaN射频器件衬底主要采用SiC衬底。Cree拥有最强的实力，在射频应用的GaN HEMT、尤其是GaN-on-SiC技术方面，该公司处于领先地位，远远领先日系厂商住友电工和富士通。国内主要的厂商是海威华芯、三安集成和华进创威。

(3)功率器件方面，快充将成为最大推动力。2019年OPPO、小米在新机型中采用了GaN快充器件，随着终端客户积极推进，消费级GaN手机电源市场起量。除消费电子领域外，欧洲车企积极采纳，车规级GaN充电市场迎来需求增长。

(4)GaN在光电子学和微电子学领域有广泛的应用，Micro LED是新一代显示技术，比现有的OLED技术亮度更高、发光效率更好，但功耗更低。GaN基紫外激光器在紫外固化、紫外杀菌等领域有重要的应用价值，也是国际上的研究热点。