氮化镓半导体材料是继硅和砷化镓材料后的新一代半导体材料，被称为第三代半导体材料，它具有禁带宽度大、热导率高、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度和高硬度等特性o o . = _。目前GaN材料主要应p r 5用于射频与功率器C a m E S A }件领域，随着5G的发展，射频器件需求增大，氮化镓市场随之扩张。在功率器件领域，Yole预测氮化镓2019-2022年市场CAGR达到91%。

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什么是化合物半导体？

半导体材料可分为单质半导体及化合物半导体两类，前者如硅（Si）、锗(Ge）等所形成的半导体，后者为砷化R d 4 2 v镓（GaAl 6 b r E I S 6s）、氮4 y i化镓（GaN）、碳化硅（SiC）等化合物形成。半导体在过去主要经历了三代变化，。砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）半K d 2 a 0 ~ ] b导体分别作为第二代和第三代半导体的代表，相比第一代半导体高频性能、高温性能优异很多，制造成本更为高昂，可谓是半导体中的新贵。

三大化合物半导体材料中，GaAs占大头，主要用于通讯领域，全球市场容量接近百亿美元，主要受益通y u 5 @ } ^ L y D信射频芯片尤其是PA升级驱动；GaN大功率、高频性能更出色，主要应用于军事领域，目前市场容量不到10亿美元，随着# f ~ 3 X # 7 ( Q成本下降有望迎来广泛应用；SC N F K 0 & ^i[ O 1 ]C主要作为高功K 6 v R I y 3 $率半导体材料应用于汽车以及工业电力电子，在大功率转换应用中具有巨大的优势。

第三代半导体适应更多应用场景。硅基半导体具有耐高温、抗辐射性能好、制作方便、稳定性好。可靠度高等特点，使得99%以上集成电路都是以硅为材料制作的。但是硅基半导体不适合在高频、高功率领域使用。2G、3G和4G等时代PA主要材料是GaAs，但是进入5G时代以后，主要材料是GaN。5G的频率较高，其跳跃式的反射特性使其传输8 @ d V , T ) [距离较短。由于毫米波对于功率的要求非常高，而GaN具有体积小功率大的特性，是目前最适合5G时代的PA材料。SiC和GaN等第三代半导体将更? p 3 t 3 =能适应未来的应用需求。

GaN材料特性

GaN是极稳定的- 1 } % _ W a h c化合物，又是坚硬的高熔点材; $ c :料，熔点约为1700℃，GaN具有高的电离度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5或X K S A ) m | g j0.43）。在大气压力下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。它在一个无胞中有4个原子，原子体积大约为GaAs的一半。因为其硬度高，又是一种良好的涂层保护材料。

• GaN的化学特性

在室温下，GaN不溶于水、酸和碱，而在热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶解。NaOH、H2SO4和H3PO4能较快地腐蚀质量差的GaN，可用f @ % ] - w f L S于这些质量不高的GaN晶体的缺陷检. ; J q Y 8 Z v W测。GaN在HCL或H2V W ! `气下，在高温下呈现不稳定特性，] y K而在N2气下最为稳定。

• GaN的电学特性

GaN的电学特性是影响器件的主要因素。未有意掺杂的GaN1 t R在各种情况下都呈n型,最好的样品的电子浓度4 B D , 1 j t =约为41016/cm3。一般情况下所制备的P型样品，都是高补偿的。

很多研究小组都从事7 k D过这方面的研究工作，其中中村报道了GaN最高迁移率数据在室温和液氮温度下分别为n=600cm2/vs和n=1500cm2/vs，相应的载流子浓度为n=41016/cm3和n=81015/cm3。近年8 Z q 2 C q F r报道的MOCVD沉积GaN层的电子浓度数值为41016/cm3、<1016/cm3；等离子激活MBE的结果为8103D = : U/cm3、<1017/cm3。

未掺杂载流子浓度可控制在1m 0 g & Q H C01- } m A M w % 0 &4～1020/cm3范围。另外，通过P型掺杂工艺和D 8 W & )Mg的低能电T Z - = # w c g T子束辐照或热退火处理，已能将掺杂浓度控制在x U Q 2 / !1011～1020/cm3范围。

• GaN的光学特性

人们关注的GaN的特性，旨在它在蓝光和紫光发射器件上的应用。Maruska和Tc p @ietjen首先精确地测量了GaN直接隙能量为3.39eV。几个小组研究了GaN带隙与温度的依赖关系，Pans G / $ D @ 4 Akove等人估算了一个带隙温度系数的经验公式：dE/dT=－6.010－4eV/k。4 g 0 Y f k e WMonemar测定了基本的带隙为3.503y ] = teV0.0005eV，在1.6kT为Eg=u E 1 ( u Q3.503＋g A D D H w =（5.0810－4T2)/(T－99$ - z O6)eV。

GaN材料制备

GaN材料的生长是在高温下，通过TMGa分解出的Ga与NH3的化学反应实现的，生长GaN需要一定的生长温度，且需要一定的NH3分压。其可逆的反应方程式为：

目前，通常采用的方法有常规金属有机物气相沉积法（包括APMOCVD、LPMOCVD、等离子体增强MOCVD等）、分子束外延法和氢化物气相外延法c $ y Y 6 % ! 9。

1、金属有机物气相沉积法（MOCVD）

MOCVD是在气相外延生长的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术。在采用MOCVD法{ # = m E制备GaN单晶的传统工艺中，通常S a 2以三甲基镓作为镓源，氨气作为氮源，以蓝宝v 1 W U v 3石j Z c } h x $ 6(Al2O3R ! w v 7)作为衬底，并用氢气和氮气的混合气体作为载气，K ~ p U 5 x n U将反应物载入反应腔内，加D : + _热到一定温度下使其发生反应，! a ! u C G Y & Z能够在衬底上生成GaN的分子团，在衬底表面上吸. j x M ~ 8 = a [附、成核、生长，最终形成一层GaN单晶薄膜。

• 优点：制备的产量大，生长周期短，适合用于大批量生产P [ r ) H C u。
• 缺点：生长完毕后需要进行退火_ 2 n V / R _处理，最后得到的薄膜可能b @ + h会存在+ a r ; ;裂纹，会影响产品的质量。

2、分子P L 5 k束外延法（MBE）

MBE法制备GaN与MOCVD法类似，主要的区别在于镓源的不同。MBE法的镓源通常采用Ga的分子束，NH3作为% ( Y (氮源，制备方法与MOCVD法相似，也是在衬底表面反应生. N , _ ( : : * D成GaN。

• 优点：（1）可以在较低的温度下实现GaN的生长，一般为700℃左右；（2）可以在制备过程中对生成GaN膜的厚度进行精确控制，有利于对该工艺中的生长机理进行深入研究。
• 缺点：反应时间b p ( K h 4 ~ y 0会比较长，生产效率低，因此不适合大规模生产。

3、氢I H c i化物气相外延法h ( @ r d U（HVPE）

HVPE通常以镓的氯化物GaCl3为镓源，NH3为氮源，在衬底上以1000℃左右的温度生长出GaN晶体。

• 优点：生成的G? & m p d ; [aN晶体质量比较 p j 0 L q ? r好，且在较高的温度下生长速) ^ U v L P度快。
• 缺点：高温反应对生产设备、生产成本和技术要求都Z 6 ) w比较高。

▲GaN制备方法对比表

GaN在电力电子领域与微波射频领域均有优势

1、GaN在电力电子领域：高效率、低损耗与高频率

高转换效率：X 6 UGaN的禁带宽度是Si的3倍，击穿电场是Si的10倍。因此，同样额定电压的GaN开关@ Y h @ J ~功率器件的导通电阻比Si器件低3个数量级，大大降低了开关的导通损耗。

低导通损耗：GaN的禁带宽度是Si的3倍，击穿电场是Si的10倍。因y k i此，同样额定电压的GaN开关功率器g $ o ! ^ d v f件的导通电阻比Si器件低3个数量级，大大降低了开关的导通损耗。

▲Si功率器件开关速度慢，能量损耗大（来源：太平洋证券）

▲GaN开关速度快，可大幅度提升效率（来源：太平洋证券整理）

高工作频率：2 u S / # | h 5GaN开关器件寄生电容小，工作效率可以比Si器件提升至少20倍，大大减小了电路中储能原件如r x ^ a l Q电容g r H [、电感的体积，从而成倍地减少设备体积，减少铜等贵重原材料的消耗。

2、GaN在微波射频领域：高效率、大带宽与C D 3 : $ X高功率

氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)并称为第三代半导体材料的双雄，由于性能不同，二者的应用领域也不相同。由于氮化镓具有禁带宽度大、击穿电场高、饱和d l h l - x ,电子速率大、热导A O A X o 2 * b率高、化学性质稳定和抗辐射能力强等优点，成} C = u K D / b C为高温、高频、大功率微波器件的首p @ o # P w s E选材H D # p M R O料之一。

更高功率：GaN上的电子具有高饱和速度（在非常高的电场下的b ) 4 L /电子速度）。结合大电荷能力，这意味着GaN器件可以L h f }提供更高的电流密度。RF功率输出是电压和电流摆动b 5 y的乘积，因此更高的电压和电流密度可以在实际尺寸的晶体管中产生更高的RF功率。在4GHz以上频段，可以输出5 K h ;比GaAs高得多的频率，特别适合雷达、卫星通信、中继通信等领域。

更高效率：降低功耗，节省电能，降低散热成本，降低总运行成本。

更大的带宽：提高信息携带量，用更少的器件实现多频率覆盖，降低客户产品成本。也适用于扩频通信、电子对抗等领域。

另外值得一提的是，GaN－on－SiC器件P C H具有出色的热性能，这主要归功于SiC的高导热性。实际上，这意味着W % = } VGaN－on－Siq 5 QC器件在耗散相同功率时不会像GaAs或Si器件那样热。“较冷”设备意味着更可靠的设备。

GaN——应用场景增多，迎来发展机遇

由于G+ Q V b U NaN的禁带宽度较大，i : _ 8 z利用t A 9 QGaN可以获得更大带宽、更大放大器增益、R ( B j ` # 1 R Q尺寸更小的半导体S 6 : S f d器件。GaN器件可以分为射频器件和电力电子器件。GaN的射频器件包括PA、MIMO等面向基站卫星、雷达市场。电力电子器件产品包括SBD、FET等面向无Q r k线充电、电源开关等市场。

英飞凌、安森P U 9 s X U美和意法半导体是全球GaN市场的行业巨头。据专业机构预计到2R T E r ?02d t D - n g t 1 F6年全球GaN功率器件市场规模将达到4.4亿B 7 q o x美元，复合年增长率29.4％。近年来越来越多的公司加入GaNf x $的产业链。如初创公司EPC、GaNSystem、Transphorm等。* ! #它们大多选择台积电或X-FAB为代工伙伴H r D e P。行业巨头如英飞凌、安森美和意法半导体等则采用IDM模式。

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