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第三代半導(dǎo)體材料在大功率、高溫、高頻、抗輻射的微電子領(lǐng)域，以及短波長(zhǎng)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。第三代半導(dǎo)體材料正在成為搶占下一代信息技術(shù)、節(jié)能減排技術(shù)及國(guó)防安全技術(shù)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。

從能帶角度看，可以劃分為三個(gè)半導(dǎo)體材料時(shí)代。

第一代半導(dǎo)體材料以 Si 和 Ge 等半導(dǎo)體材料為代表。其典型應(yīng)用是集成電路，主要應(yīng)用于低壓、低頻、低功率晶體管和探測(cè)器中，在未來(lái)一段時(shí)間，Si 半導(dǎo)體材料的主導(dǎo)地位仍將存在。但是 Si 材料的物理性質(zhì)限制了其在光電子和高頻電子器件上的應(yīng)用，如其間接帶隙的特點(diǎn)決定了它不能獲得高的電光轉(zhuǎn)換效率；較窄的帶隙（1.12 eV）使飽和電子遷移率較低（1450 cm²·V^-1·s^-1），不利于研制高頻和高功率電子器件。

第二代半導(dǎo)體材料以 GaAs 和磷化銦（InP）為代表。GaAs 的電子遷移率是 Si 的 6 倍，具有直接帶隙，故其器件相對(duì)硅器件具有高頻、高速的光電性能，是公認(rèn)的通信用半導(dǎo)體材料。同時(shí)，GaAs 在軍事電子系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛且不可替代。然而，其禁帶寬度范圍僅涵蓋了 1.35 eV（InP）～2.45 eV（AlP），只能覆蓋波長(zhǎng) 506～918 nm 的紅光和更長(zhǎng)波長(zhǎng)的光，無(wú)法滿(mǎn)足中短波長(zhǎng)光電器件的需要。由于第二代半導(dǎo)體材料的帶隙較小，擊穿電場(chǎng)較低，極大地限制了其在高溫、高頻和高功率器件領(lǐng)域的應(yīng)用。另外由于 GaAs 的毒性可能會(huì)引起環(huán)境污染問(wèn)題，對(duì)人類(lèi)健康存在潛在的威脅。

第三代半導(dǎo)體材料是指 Ⅲ 族氮化物（如氮化鎵（GaN）、氮化鋁（AlN）等）、碳化硅（SiC）、氧化物半導(dǎo)體（如氧化鋅（ZnO）、氧化鎵（Ga₂O₃）、鈣鈦礦（CaTiO₃）等）和金剛石等寬禁帶半導(dǎo)體材料。與前兩代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料帶隙大，具有擊穿電場(chǎng)高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)越性質(zhì)，因此采用第三代半導(dǎo)體材料制備的半導(dǎo)體器件不僅能在更高的溫度下穩(wěn)定運(yùn)行，而且在高電壓、高頻率狀態(tài)下更為可靠，此外還能以較少的電能消耗，獲得更高的運(yùn)行能力。

GaN 是一種寬帶隙材料，它具有與 SiC 相似的性能優(yōu)勢(shì)，但降低成本的可能性卻更大。業(yè)界認(rèn)為，在未來(lái)數(shù)年間，GaN 功率器件的成本可望壓低到和硅 MOSFET、IGBT 及整流器同等價(jià)格。

GaN 電力電子器件具有更高的工作電壓、更高的開(kāi)關(guān)頻率、更低的導(dǎo)通電阻等優(yōu)勢(shì)，并可與成本極低、技術(shù)成熟度極高的硅基半導(dǎo)體集成電路工藝相兼容，在新一代高效率、小尺寸的電力轉(zhuǎn)換與管理系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)車(chē)、工業(yè)電機(jī)等領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

由于對(duì)高速、高溫和大功率半導(dǎo)體器件需求的不斷增長(zhǎng)，使得半導(dǎo)體業(yè)重新考慮半導(dǎo)體所用設(shè)計(jì)和材料。隨著多種更快、更小計(jì)算器件的不斷涌現(xiàn)，硅材料已難以維持摩爾定律。GaN 具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如噪聲系數(shù)優(yōu)良、最大電流高、擊穿電壓高、振蕩頻率高等，為多種領(lǐng)域提供了獨(dú)特的應(yīng)用，如軍事、宇航和國(guó)防、汽車(chē)領(lǐng)域，以及工業(yè)、太陽(yáng)能、發(fā)電和風(fēng)力等高功率領(lǐng)域。

由于 GaN 光電半導(dǎo)體在軍事、宇航、國(guó)防和消費(fèi)電子的使用，光電半導(dǎo)體成為全球氮化鎵半導(dǎo)體器件市場(chǎng)的主要產(chǎn)品類(lèi)型，并占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位。其中功率半導(dǎo)體器件將隨著工業(yè)應(yīng)用對(duì)大功率器件需求的增長(zhǎng)成為未來(lái)增長(zhǎng)速度最快的器件。

對(duì)于 GaN 的功率器件發(fā)展而言，市場(chǎng)需求牽引力至關(guān)重要。從電源和功率因數(shù)校正（PFC）領(lǐng)域，到不間斷電源（UPS）和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，很多應(yīng)用領(lǐng)域都將從 GaN-on-Si 功率器件的特性中受益。

再隨著 5G 技術(shù)的逐漸成熟，帶給射頻前端晶片市場(chǎng)商機(jī)，未來(lái)射頻功率放大器（RF PA）需求將持續(xù)成長(zhǎng)，其中傳統(tǒng)金屬氧化半導(dǎo)體（laterally diffused metal oxide semiconductor，LDMOS）制程逐步被 GaN 取代，尤其在 5G 技術(shù)下需要支援更多元件、更高頻率。透過(guò)導(dǎo)入新的射頻技術(shù)，RF PA 將以新的制程技術(shù)實(shí)現(xiàn)，其中 GaN 的 RF PA 將成為輸出功率 3 W 以上的主流制程技術(shù)，LDMOS 市占率則逐漸降低。

因?yàn)?5G 技術(shù)涵蓋毫米波頻率和大規(guī)模多輸出、多輸入（multi-input multi-output，MIMO）天線運(yùn)用，以實(shí)現(xiàn) 5G 無(wú)線整合及架構(gòu)上的突破，未來(lái)如何大規(guī)模采用 massive-MIMO及毫米波回程系統(tǒng)將是發(fā)展關(guān)鍵。由于 5G 頻率高，因此對(duì)于高功率、高性能、高密度的射頻元件需求增加，其中 GaN 符合其條件，即 GaN 市場(chǎng)更具有潛在商機(jī)。

GaN 的研究與應(yīng)用是目前全球半導(dǎo)體研究的前沿和熱點(diǎn)，是研制微電子器件、光電子器件的新型半導(dǎo)體材料，并與 SiC、金剛石等半導(dǎo)體材料一起，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。它具有寬的直接帶隙、強(qiáng)的原子鍵、高的熱導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性好（幾乎不被任何酸腐蝕）等性質(zhì)和強(qiáng)的抗輻照能力，在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應(yīng)用方面有著廣闊的前景。

GaN 是第三代半導(dǎo)體材料的典型代表，是半導(dǎo)體照明中發(fā)光二極管的核心組成部分。GaN 是一種人造材料，自然形成氮化鎵的條件極為苛刻，需要2000℃ 的高溫和近萬(wàn)個(gè)大氣壓的條件才能用金屬鎵和氮?dú)夂铣蔀?GaN，在自然界是不可能實(shí)現(xiàn)的。

大家都知道，第一代半導(dǎo)體材料是 Si，主要解決數(shù)據(jù)運(yùn)算、存儲(chǔ)的問(wèn)題；第二代半導(dǎo)體是以 GaAs 為代表，它被應(yīng)用到于光纖通訊，主要解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?wèn)題；第三代半導(dǎo)體則就是以 GaN 為代表，它在電和光的轉(zhuǎn)化方面性能突出，在微波信號(hào)傳輸方面的效率更高，所以可以被廣泛應(yīng)用到照明、顯示、通訊等各大領(lǐng)域。1998年，美國(guó)科學(xué)家研制出了首個(gè)氮化鎵晶體管。

高性能：主要包括高輸出功率、高功率密度、高工作帶寬、高效率、體積小、重量輕等。目前第一代和第二代半導(dǎo)體材料在輸出功率方面已經(jīng)達(dá)到了極限，而 GaN 半導(dǎo)體由于在熱穩(wěn)定性能方面的優(yōu)勢(shì)，很容易就實(shí)現(xiàn)高工作脈寬和高工作比，將天線單元級(jí)的發(fā)射功率提高 10 倍。

高可靠性：功率器件的壽命與其溫度密切相關(guān)，溫結(jié)越高，壽命越低。GaN 材料具有高溫結(jié)和高熱傳導(dǎo)率等特性，極大地提高了器件在不同溫度下的適應(yīng)性和可靠性。GaN 器件可以用在 650°C 以上的軍用裝備中。

低成本：GaN 半導(dǎo)體的應(yīng)用，能夠有效改善發(fā)射天線的設(shè)計(jì)，減少發(fā)射組件的數(shù)目和放大器的級(jí)數(shù)等，有效降低成本。目前 GaN 已經(jīng)開(kāi)始取代 GaAs 作為新型雷達(dá)和干擾機(jī)的 T/R（收/發(fā)）模塊電子器件材料。美軍下一代的固態(tài)有源相控陣?yán)走_(dá)（AMDR）便采用了 GaN 半導(dǎo)體。氮化鎵禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速度高、抗輻射能力強(qiáng)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)越性質(zhì)，使得它成為迄今理論上電光、光電轉(zhuǎn)換效率最高的材料體系，并可以成為制備寬波譜、高功率、高效率的微電子、電力電子、光電子等器件的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。

具有較寬帶隙的 GaN （3.4eV）及藍(lán)寶石等材料作襯底，散熱性能好，有利于器件在大功率條件下工作。隨著對(duì) ⅢA 族氮化物材料和器件研究與開(kāi)發(fā)工作地不斷深入，GaInN 超高度藍(lán)光、綠光 LED 技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商品化，現(xiàn)在世界各大公司和研究機(jī)構(gòu)都紛紛投入巨資加入到開(kāi)發(fā)藍(lán)光 LED 的競(jìng)爭(zhēng)行列。

① 新型電子器件

GaN 材料系列具有低的熱產(chǎn)生率和高的擊穿電場(chǎng)，是研制高溫大功率電子器件和高頻微波器件的重要材料。目前，隨著 MBE 技術(shù)在 GaN 材料應(yīng)用中的進(jìn)展和關(guān)鍵薄膜生長(zhǎng)技術(shù)的突破，成功地生長(zhǎng)出了GaN 多種異質(zhì)結(jié)構(gòu)。用 GaN 制備出了金屬場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MESFET）、異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（HFET)、調(diào)制摻雜場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MODFET）等新型器件。調(diào)制摻雜的 AlGaN/GaN 結(jié)構(gòu)具有高的電子遷移率（2000 cm²·v^-1·s^-1)、高的飽和速度(1×10⁷ cm·s^-1)、較低的介電常數(shù)，是制作微波器件的優(yōu)先材料；GaN 較寬的禁帶寬度（3.4 eV）及藍(lán)寶石等材料作襯底，散熱性能好，有利于器件在大功率條件下工作。

② 光電器件

GaN 材料系列是一種理想的短波長(zhǎng)發(fā)光器件材料，GaN 及其合金的帶隙覆蓋了從紅色到紫外的光譜范圍。自從1991年日本研制出同質(zhì)結(jié) GaN 藍(lán)色 LED之后，InGaN/AlGaN雙異質(zhì)結(jié)超亮度藍(lán)色LED、InGaN 單量子阱 GaNLED 相繼問(wèn)世。目前，Zcd 和 6cd 單量子阱 GaN 藍(lán)色和綠色 LED 已進(jìn)入大批量生產(chǎn)階段，從而填補(bǔ)了市場(chǎng)上藍(lán)色 LED 多年的空白。

藍(lán)色發(fā)光器件在高密度光盤(pán)的信息存取、全光顯示、激光打印機(jī)等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用市場(chǎng)。隨著對(duì) Ⅲ 族氮化物材料和器件研究與開(kāi)發(fā)工作的不斷深入，GaInN 超高度藍(lán)光、綠光 LED 技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商品化，現(xiàn)在世界各大公司和研究機(jī)構(gòu)都紛紛投入巨資加入到開(kāi)發(fā)藍(lán)光 LED 的競(jìng)爭(zhēng)行列。

1993年，Nichia 公司首先研制成發(fā)光亮度超過(guò) 1 cd 的高亮度 GaInN/AlGaN 異質(zhì)結(jié)藍(lán)光 LED，使用摻 Zn 的 GaInN 作為有源層，外量子效率達(dá)到 2.7%，峰值波長(zhǎng) 450 nm，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的商品化。1995年，該公司又推出了光輸出功率為 2.0 mW，亮度為 6 cd 商品化 GaN 綠光 LED產(chǎn)品，其峰值波長(zhǎng)為 525 nm，半峰寬為 40 nm。最近，該公司利用其藍(lán)光 LED 和磷光技術(shù)，又推出了白光固體發(fā)光器件產(chǎn)品，其色溫為 6500 K，效率達(dá) 7.5 Lm/W。除Nichia 公司以外，HP、Cree等公司相繼推出了各自的高亮度藍(lán)光 LED 產(chǎn)品。高亮度LED的市場(chǎng)預(yù)計(jì)將從 1998 年的 3.86 億美元躍升為 2003 年的 10 億美元。高亮度 LED 的應(yīng)用主要包括汽車(chē)照明，交通信號(hào)和室外路標(biāo)，平板金色顯示，高密度 DVD 存儲(chǔ)，藍(lán)綠光對(duì)潛通信等。

在成功開(kāi)發(fā) ⅢA 族氮化物藍(lán)光 LED 之后，研究的重點(diǎn)開(kāi)始轉(zhuǎn)向 ⅢA 族氮化物藍(lán)光 LED 器件的開(kāi)發(fā)。藍(lán)光 LED 在光控測(cè)和信息的高密度光存儲(chǔ)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前 Nichia 公司在 GaN 藍(lán)光 LED 領(lǐng)域居世界領(lǐng)先地位，其 GaN 藍(lán)光 LED 室溫下 2 mW 連續(xù)工作的壽命突破 10000 h。HP 公司以藍(lán)寶石為襯底，研制成功光脊波導(dǎo)折射率導(dǎo)引 GaInN/AlGaN 多量子阱藍(lán)光 LED。CreeResearch公司首家報(bào)道了 SiC 上制作的 CWRT 藍(lán)光激光器，該激光器彩霞的是橫向器件結(jié)構(gòu)。富士通繼 Nichia，CreeResearch 和索尼等公司之后，宣布研制成了 InGaN 藍(lán)光激光器，該激光器可在室溫下CW應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)是在SiC襯底上生長(zhǎng)的，并且采用了垂直傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)（p 型和 n 型接觸分別制作在晶片的頂面和背面），這是首次報(bào)道的垂直器件結(jié)構(gòu)的 CW 藍(lán)光激光器。

在探測(cè)器方面，已研制出GaN紫外探測(cè)器，波長(zhǎng)為 369 nm，其響應(yīng)速度與 Si 探測(cè)器不相上下。但這方面的研究還處于起步階段。GaN 探測(cè)器將在火焰探測(cè)、導(dǎo)彈預(yù)警等方面有重要應(yīng)用。

GaN 寬禁帶電力電子器件代表著電力電子器件領(lǐng)域發(fā)展方向，材料和工藝都存在許多問(wèn)題有待解決，即使這些問(wèn)題都得到解決，它們的價(jià)格肯定還是比硅基貴。由于它們的優(yōu)異特性可能主要用于中高端應(yīng)用，與硅全控器件不可能全部取代硅半控器件一樣，SiC 和 GaN 寬禁帶電力電子器件在將來(lái)也不太可能全面取代硅功率 MOSFET、IGBT和 GTO（包括 IGCT）。SiC 電力電子器件將主要用于 1200 V 以上的高壓工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域；GaN電力電子器件將主要用于 900 V 以下的消費(fèi)電子、計(jì)算機(jī)/服務(wù)器電源應(yīng)用領(lǐng)域。

GaN 作為第三代半導(dǎo)體材料，其性質(zhì)決定了將更適合 5G 等技術(shù)的應(yīng)用。從現(xiàn)在的市場(chǎng)狀況來(lái)看，GaAs仍然是手機(jī)終端 PA 和 LNA 等的主流，而 LDMOS 則處于基站 RF 的霸主地位。但是，伴隨著 Si 材料和 GaAs 材料在性能上逐步達(dá)到極限，我們預(yù)計(jì) GaN 半導(dǎo)體將會(huì)越來(lái)越多的應(yīng)用在無(wú)線通信領(lǐng)域中。

第三代半導(dǎo)體射頻電子器件在民用和軍用領(lǐng)域都已實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用。尤其是，由于具備高頻、高功率、大帶寬的性能優(yōu)勢(shì)，氮化鎵射頻電子器件和模塊在 5G 移動(dòng)通信基站建設(shè)中發(fā)揮著不可替代的作用，我國(guó) 5G 建設(shè)提速，將觸發(fā)對(duì)氮化鎵射頻電子器件需求的快速增長(zhǎng)。