解密你所不知的“氮化镓”

最近氮化镓（GAN）这个词出现的频率非常高，今天就让我们一起来探索一下氮化镓（GAN)。 

氮化镓（GAN)是什么？

 （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。 

大家都知道，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，主要解决数据传输的问题；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，所以可以被广泛应用到照明、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半导体由于在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器件可以用在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。氮化镓禁带宽度大、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光、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较宽的禁带宽度(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深入，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。

 氮化镓的应用

氮化镓作为半导体发光二极管应用于LED照明也已经在中国发展得风起云涌。目前市场上大规模应用于LED照明的氮化镓芯片距离氮化镓真正的“神奇能量”还相距甚远。GaN半导体可以使得汽车、消费电子、电网、高铁等产业系统所使用的各类电机、逆变器、AC/DC转换器等变得更加节能、高效。GaN用在大功率器件中可以降低自身功耗的同时提高系统其它部件的能效，节能20%-90%。 

氮化镓的未来发展

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决，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。由于它们的优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。

 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则处于基站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。