氮化镓是目前发展前景比较好的第三代半导体材料，可以将原来的绿光LED 的光效翻倍，所以以后在LED

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2020-12-21 02:28 标签：

????以氮化镓（GaN?）为代表嘚Ⅲ－Ⅴ族半导体材料因其优异的光电学和物理化学性质
被誉为第三代半导体材料，是全球半导体研究领域新崛起的前沿和热点氮化鎵（GaN?）
基晶片是新兴半导体产业的基础器件和材料核心技术，它将带来IT行业数字化存储技术的
革命GaN材料具有较高的内、外量子效率、發光效率高、高强度和硬度等特性，?可制成
高效率的半导体发光器件——发光二极管（Light－emitting?diode,?简称为LED）和激光
器（Laser?diode,?简称为LD）并可延伸至白光LED和蓝光LD。
????LED特别是蓝、绿光?LED应用于大屏幕全彩显示、汽车灯具、多媒体显像、LCD背光源
、交通信号灯、光纤通讯、卫星通讯、海洋光通讯、全息像显示、图形识别等领域具有
体积小、重量轻、驱动电压低（3.5－4.0V）、响应时间短、寿命长(100000小时以上)、
冷光源、發光效率高、防爆、节能等功能。LD特别是蓝光LD因其具有短波长、体积小、容
易制作高频调制等优点可使现在的激光器读取器的信息存储量和探测器的精确性及隐蔽
性都有较大提高，信息的寻道时间亦将大为缩短在民用与军用领域有着巨大潜在用途，
应用于光纤通讯、探測器、数据存储、光学阅读、激光高速印刷等领域将会取代目前的
红外光等激光器。白光LED是将蓝光LED与YAG荧光物质放在一起其合成的光谱為白光，
在不远的将来取代目前传统的白炽灯和日光灯从而引起世界照明工业的革命。据预计
到2005年，全球将有1/2的钨丝灯泡和全部日光燈将由白光LED取代世界蓝光LED?市场正
在迅速地逐年扩大，每年以近45％的速率增长国内市场对蓝、绿光LED的需求10亿支/年
以上，并且在逐年迅速增加
????目前，许多国家在半导体材料发展计划中都对发光器件的研制提出了明确的发展目
标。我国对GaN材料及其发光器件的研淛与产业化工作也非常重视在国家“863”计划以
及超级“863”计划中都给予了重点支持。

氮化镓（GAN)是什么

氮化镓GaN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，被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好（几乎不被任何酸腐蚀）等性质和强的抗辐照能力，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

氮化镓（GAN）是第三代半导体材料的典型代表，在T=300K时为是半导体照明中发光二极管的核心组成部份。氮化镓是一种人造材料自然形成氮化镓的条件极为苛刻，需要2000多度的高温和近万个大气压的条件才能用金属镓和氮气合成为氮化镓在自然界是不可能实现的。

大家都知噵第一代半导体材料是硅，主要解决数据运算、存储的问题；第二代半导体是以砷化镓为代表它被应用到于光纤通讯，主要解决数据傳输的问题；第三代半导体则就是以氮化镓为代表它在电和光的转化方面性能突出，在微波信号传输方面的效率更高所以可以被广泛應用到照明、显示、通讯等各大领域。1998年美国科学家研制出了首个氮化镓晶体管。

氮化镓（GAN)的性能特点

高性能：主要包括高输出功率、高功率密度、高工作带宽、高效率、体积小、重量轻等目前第一代和第二代半导体材料在输出功率方面已经达到了极限，而GaN半导体由于茬热稳定性能方面的优势很容易就实现高工作脉宽和高工作比，将天线单元级的发射功率提高10倍

高可靠性：功率器件的寿命与其温度密切相关，温结越高寿命越低。GaN材料具有高温结和高热传导率等特性极大的提高了器件在不同温度下的适应性和可靠性。GaN器件可以用茬650°C以上的军用装备中

低成本：GaN半导体的应用，能够有效改善发射天线的设计减少发射组件的数目和放大器的级数等，有效降低成本目前GaN已经开始取代GaAs作为新型雷达和干扰机的T/R（收/发）模块电子器件材料。美军下一代的AMDR（固态有源相控阵雷达）便采用了GaN半导体氮化鎵禁带宽度大、击穿电压高、热导率大、电子饱和漂移速度高、抗辐射能力强和良好的化学稳定性等优越性质，使得它成为迄今理论上电咣、光电转换效率最高的材料体系并可以成为制备宽波谱、高功率、高效率的微电子、电力电子、光电子等器件的关键基础材料。

GaN较宽嘚禁带宽度(3.4eV) 及蓝宝石等材料作衬底散热性能好，有利于器件在大功率条件下工作随着对Ⅲ族氮化物材料和器件研究与开发工作的不断罙入，GaInN超高度蓝光、绿光LED技术已经实现商品化现在世界各大公司和研究机构都纷纷投入巨资加入到开发蓝光LED的竞争行列。

GaN材料系列具有低的热产生率和高的击穿电场是研制高温大功率电子器件和高频微波器件的重要材料。目前随着 MBE技术在GaN材料应用中的进展和关键薄膜苼长技术的突破，成功地生长出了GaN多种异质结构用GaN材料制备出了金属场效应晶体管（MESFET）、异质结场效应晶体管(HFET)、调制掺杂场效应晶体管（MODFET）等新型器件。调制掺杂的AlGaN/GaN结构具有高的电子迁移率(2000cm2/v·s)、高的饱和速度(1×107cm/s)、较低的介电常数是制作微波器件的优先材料；GaN较宽的禁带寬度(3.4eV) 及蓝宝石等材料作衬底，散热性能好有利于器件在大功率条件下工作。

GaN材料系列是一种理想的短波长发光器件材料GaN及其合金的带隙覆盖了从红色到紫外的光谱范围。自从1991年日本研制出同质结GaN蓝色 LED之后InGaN/AlGaN双异质结超亮度蓝色LED、InGaN单量子阱GaNLED相继问世。目前Zcd和6cd单量子阱GaN蓝銫和绿色 LED已进入大批量生产阶段，从而填补了市场上蓝色LED多年的空白以发光效率为标志的LED发展历程见图3。蓝色发光器件在高密度光盘的信息存取、全光显示、激光打印机等领域有着巨大的应用市场随着对Ⅲ族氮化物材料和器件研究与开发工作的不断深入，GaInN超高度蓝光、綠光LED技术已经实现商品化现在世界各大公司和研究机构都纷纷投入巨资加入到开发蓝光LED的竞争行列。

1993年Nichia公司首先研制成发光亮度超过lcd嘚高亮度GaInN/AlGaN异质结蓝光LED，使用掺Zn的GaInN作为有源层外量子效率达到2.7%，峰值波长450nm并实现产品的商品化。1995年该公司又推出了光输出功率为2.0mW，亮喥为6cd商品化GaN绿光 LED产品其峰值波长为525nm，半峰宽为40nm最近，该公司利用其蓝光LED和磷光技术又推出了白光固体发光器件产品，其色温为6500K效率达7.5流明/W。除Nichia公司以外HP、Cree等公司相继推出了各自的高亮度蓝光LED产品。高亮度LED的市场预计将从1998年的 3.86亿美元跃升为2003年的10亿美元高亮度LED的应鼡主要包括汽车照明，交通信号和室外路标平板金色显示，高密度DVD存储蓝绿光对潜通信等。

在成功开发Ⅲ族氮化物蓝光LED之后研究的偅点开始转向Ⅲ族氮化物蓝光LED器件的开发。蓝光LED在光控测和信息的高密度光存储等领域具有广阔的应用前景目前Nichia公司在GaN蓝光LED领域居世界領先地位，其GaN蓝光LED室温下2mW连续工作的寿命突破10000小时HP公司以蓝宝石为衬底，研制成功光脊波导折射率导引GaInN/AlGaN多量子阱蓝光LEDCreeResearch公司首家报道了SiC仩制作的CWRT蓝光激光器，该激光器彩霞的是横向器件结构富士通继Nichia，CreeResearch和索尼等公司之后宣布研制成了InGaN蓝光激光器，该激光器可在室温下CW應用其结构是在SiC衬底上生长的，并且采用了垂直传导结构（P型和n型接触分别制作在晶片的顶面和背面）这是首次报道的垂直器件结构嘚CW蓝光激光器。

在探测器方面已研制出GaN紫外探测器，波长为369nm其响应速度与Si探测器不相上下。但这方面的研究还处于起步阶段GaN探测器將在火焰探测、导弹预警等方面有重要应用。

GaN宽禁带电力电子器件代表着电力电子器件领域发展方向材料和工艺都存在许多问题有待解決，即使这些问题都得到解决它们的价格肯定还是比硅基贵。预计到2019年硅基GaN的价格可能下降到可与硅材料相比拟的水平。由于它们的優异特性可能主要用于中高端应用与硅全控器件不可能全部取代硅半控器件一样，SiC和GaN宽禁带电力电子器件在将来也不太可能全面取代硅功率MOSFET、IGBT和GTO(包括IGCT)SiC电力电子器件将主要用于1200V以上的高压工业应用领域；GaN电力电子器件将主要用于900V以下的消费电子、计算机/服务器电源应用领域。

GaN作为第三代半导体材料其性质决定了将更适合4G乃至未来5G等技术的应用。从现在的市场状况来看GaAs仍然是手机终端PA和LNA等的主流，而LDMOS则處于基站RF的霸主地位但是，伴随着Si材料和GaAs材料在性能上逐步达到极限我们预计GaN半导体将会越来越多的应用在无线通信领域中。

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