氮化鎵半導體材料研究與應用現狀

余偉業

電力電子、新能源、電動汽車、5G通訊、高速軌道列車、能源互聯網和智能工業等領域的興起，對功率器件的性能提出了越來越高的要求。但傳統硅（Si）器件已達到材料的物理極限，無法滿足當前應用場景的需求。作為第3代半導體材料的典型代表，氮化鎵（GaN）在1928年由Johason等人首次成功制備，在一個大氣壓下，其晶體一般呈六方纖鋅礦結構，其化學性質穩定，具有寬帶隙（3.39eV）、高擊穿電壓（3×106V/cm）、高電子遷移率（25℃，1000cm2/V·s）、高異質結面電荷密度（1×1013cm-2）等諸多良好的電化學特性，相對于第1代半導體材料Si和第2代半導體材料砷化鎵（GaAs）器件而言，GaN器件可以在更高頻率、更高功率、更高溫度的情況下工作[1-3]，因而被認為是制備高溫、高頻、大功率器件的首選材料之一。當前，Si基半導體產業正面臨投資回報率遞減，GaN憑借其優異性能，有望促進半導體行業新的增長[4]。

基于GaN的重要戰略意義，世界各國相繼出臺措施，推進其材料的研究與應用。美國早在20世紀80年代已經開始部署第3代半導體相關的研發與應用，21世紀初，美國國防部先進項目研究局（DARPA）先后啟動了“寬禁帶半導體技術計劃”（Wide Bandgap Semiconductor Technology Initiative，WBGSTI）和“氮化物電子下一代技術計劃”（Nitride Electronic NeXt-Generation Technology Program，NEXT），旨在布局毫米波GaN射頻器件和提升GaN器件制造工藝，積極推動GaN寬禁帶半導體技術的發展。美國的一系列戰略部署引發了全球范圍內的激烈競爭，歐洲、日本、韓國等也相繼開展了相關研究。歐盟委員會下屬的歐洲防務局（EDA）主導開展了“可制造的基于SiC襯底的GaN器件和GaN外延層晶圓供應鏈（Manufacturable GaN—SiC—Substrates And GaN Epitaxial Wafer Supply Chain，MANGA）”計劃，旨在聯合德國、法國、英國等，強化歐洲的GaN外延片和SiC襯底的區域內部供應能力。日本則通過“移動通訊和傳感器領域半導體器件應用開發”“GaN半導體低功耗高頻器件開發”等計劃推動第3代半導體在未來通信系統中的應用。韓國制定了“GaN半導體開發計劃”，在2004—2008年間，政府和企業共計投入12.08億美元，推動韓國光電子產業發展。經過多年的發展，發達國家在GaN半導體材料、器件及系統的研究上取得了豐碩的成果，實現了從國防到民用領域的廣泛應用。

本文歸納總結公開資料，梳理GaN半導體材料的應用概況，結合文獻計量和專利分析，進一步研究國內外GaN半導體材料的技術研發態勢。

1 GaN半導體材料應用概況

當前，GaN半導體材料的應用領域主要有半導體照明、電力電子器件、激光器與探測器等。此外，在太陽能電池、生物傳感器等新興領域亦有應用，但是目前仍處于實驗室研發階段。

1.1 半導體照明

半導體照明行業是GaN當前主流應用領域中發展最為迅速的，產業規模超百億美元。從材料體系劃分上看，半導體照明行業主要用到藍寶石基氮化鎵（GaN—on—Sapphire）、SiC基氮化鎵（GaN—on—SiC）和Si基氮化鎵（GaN—on—Si）3種材料體系，分別對應不同的產品應用。其中，最成熟的是GaN—on—Sapphire體系，應用于大部分LED照明。GaN—on—SiC散熱效果較好，適用于低能耗、大功率的照明器件，但是較高的制造成本制約了其進一步推廣與運用。GaN—on—Si具有較大的成本優勢，提高散熱表現，因此GaN—on—Si LED技術也是業界一直關注的方向[4-5]。

1.2 電力電子器件

GaN在電力電子領域的應用仍處于起步階段，市場規模僅為數億美元。其應用主要集中在軍事通訊、電子干擾、雷達等軍用領域。在民用領域，主要應用于通訊基站、功率器件等領域。從材料體系上看，GaN—on—Si器件主要的應用于筆記本、高性能服務器、基站的開關電源等200～1 200V的中低壓領域；而GaN—on—SiC則集中在大于1 200V的高壓領域，如太陽能發電、新能源汽車、高鐵運輸、智能電網的逆變器等器件。作為實現5G的關鍵材料，GaN器件的市場份額有望在5G時代迎來較快增長。此外，GaN充電器具有體積小、質量輕、轉換效率高、發熱低、安全性強等優點，并隨著全球智能設備銷售量的快速增長，將帶動GaN充電器快速占領快充市場[6]。

1.3 激光器和探測器

在激光器和探測器應用領域，GaN基激光器的頻譜覆蓋范圍廣，可實現藍、綠、紫外激光器和紫外探測的制造。紫色激光器可用于制造數據存儲盤空間比藍光光盤高出20倍的大容量光盤。除此之外，紫色激光器還可用于醫療消毒、紫外固化、熒光激勵光源等應用。藍色激光器可以和現有的紅色激光器、倍頻全固化綠色激光器一起，實現全真彩顯示，進一步推進激光電視的應用。GaN基紫外探測器在抗干擾、抗惡劣環境、高靈敏度方面具有得天獨厚的優勢，可用于高速飛行物預警、核輻射監測、化學生物探測等領域，但離產業化仍有一定距離[8，9]。

2 基于文獻計量的GaN半導體材料研發態勢分析

在科學網（Web of Science）中的科學引文索引擴展板（SCI—Expand）數據庫對GaN半導體材料相關論文進行檢索，共檢索到相關論文54 007篇。

對1990—2020年間氮化鎵半導體材料SCI論文的發文量進行分析（圖1所示），可見從1990—2020年間，GaN半導體材料的年度發文量逐年上升。其中，在1993—1999年間和2018—2020年間，發文量增速較快，到2020年，相關研究論文數量達3 314篇。年度發文量的持續上升，表明GaN持續受到較高的關注。

分析論文通訊地址所在國家和地區，并根據發文量進行排序，結果如圖2所示。從發文國家和地區上看，美國、中國、日本、韓國和我國臺灣地區發文量排名前5，其中中國和美國的發文量相近，約一萬篇，領先排名第3的日本較多。可見我國在GaN半導體材料領域的研究雖然較發達國家/地區晚，但目前在GaN半導體材料領域的基礎研究已具有較多技術儲備。

進一步對相關論文的發文通訊單位進行分析，前10名如表1所示。中國大陸3所機構發文量進入全球前10，分別為中國科學院、北京大學、西安電子科技大學，其中以中國科學院為通訊機構的文章主要來自中科院半導體研究所；我國臺灣地區成功大學、臺灣交通大學發文量分別排名第3和第4；國外加州圣巴巴拉分校、俄羅斯科學院、韓國全北國立大學等高校或科研院所發文較多。

對相關論文的關鍵詞進行分析，如表2所示。在制備方法上，金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）、分子束外延（Molecular beam epitaxy）和金屬有機氣相外延（MOVPE）等關鍵詞出現頻次較高，表明外延工藝是研究人員的主要關注點；在應用方面，LED和高電子遷移率晶體管（HEMT）出現頻次較高；此外，GaN納米線、缺陷、摻雜也是研究人員關注的熱點。

3 專利視角下的GaN半導體材料應用現狀分析

在Incopat專利分析平臺對GaN半導體材料相關專利進行檢索和分析，從專利分布的角度了解當前塊體納米晶金屬材料的應用現狀及前景。截至檢索日期，共檢索到PCT專利2 401件，中國有效專利5 021件。

3.1 GaN半導體材料專利總體情況

從圖3可見，2000—2019年間，全球GaN半導體材料領域的PCT專利數量呈緩慢上升，而我國雖然在該領域起步較晚，但中國有效專利數量在近15年間增長迅速，表明我國在這段時間在本領域的研發投入較大，目前已具有一定數量的技術儲備。

進一步分析PCT專利及我國有效專利的來源，結果見表3和表4。可見在GaN領域，全球PCT專利主要來自于日本、美國、中國、韓國和歐盟等國家和地區，其中日本、美國、歐盟在專利數量上優勢明顯。從專利數量看，前10申請人均來自于日本和美國，占據全球PCT專利26.28%；從申請人類型看，前10申請人中有9個為企業，僅有加州大學申請人類型為高校，可見PCT專利主要來源于企業。

從國內有效專利上看，當前我國有效專利主要來自于廣東、江蘇、北京等省市，67.28%的專利申請人為企業，33.28%的專利申請人為大專院校和科研單位，而前10申請人主要為高校或科研院所，西安電子科技大學、華南理工大學、中國科學院半導體研究所等機構有效專利數量排名前列。華燦光電股份有限公司、湘能華磊光電股份有限公司2家企業分別排名第1和第3，這2家企業均為LED照明領域企業。其中，華燦光電股份有限公司是目前國內第2大LED芯片供應商；湘能華磊光電股份有限公司是湖南省唯一1家LED外延、芯片、應用產品全產業鏈企業，目前已形成了年產GaN基外延片和芯片600萬片的生產能力，公司外延片和芯片生產規模位居全國前列。

3.2 產業鏈與應用視角的GaN專利分布情況

從產業鏈（單晶襯底→材料外延→器件設計與制造）和應用（半導體照明、電力電子器件、激光器和探測器）角度對當前我國有效專利進行分析，結果如圖4和圖5所示。

從產業鏈視角看，專利主要集中在GaN單晶襯底，占比達44%；其次是材料外延，占比31%。從應用層面看，專利大部分集中在半導體照明領域，占比達71%，可見半導體照明仍然是當前GaN半導體材料的主要應用領域，并且有效專利數量在2007—2016年間增長迅速；電力電子器件領域的有效專利數量在2013年之后，較之前有較快的增長；激光器和探測器領域的有效專利數量雖然在2014年之后有一定增長，但總體數量較少。

4 結語

從論文以及專利的發表情況來看，隨著20世紀90年代后材料生長和器件工藝水平的不斷發展和完善，GaN半導體材料的相關研究發展迅速。在SCI論文數量方面，我國與美國發文量相近，遙遙領先其他國家；在專利方面，我國與美國、日本、歐盟等發達地區仍有較大的差距，PCT專利較為集中地掌握在美國、日本的知名電子電器企業手中。總體而言，我國在GaN半導體材料的研究雖然較發達國家起步較晚，但是在近年在技術創新上已經有較好的儲備，且在基礎研究領域的技術較為雄厚。

從研究熱點上看，研究大多針對GaN在LED和HEMT上的應用。而工藝方法上，研究人員主要關注金屬有機化學氣相沉積、分子束外延、金屬有機氣相外延等材料外延方法和摻雜工藝。此外，GaN納米線由于其錯位密度低等優勢[10]，可以大大提高其制備器件的性能，也備受關注。

從產業鏈及下游的應用領域分布來看，專利主要集中在GaN單晶襯底和材料外延環節；從應用層面看，國內有效專利主要集中在半導體照明領域，表明半導體照明是當前GaN半導體材料的主要應用領域；而電力電子器件領域有效專利數量在近年有較快增長，有望在未來一段時間迎來快速發展。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.05.006

參考文獻

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