氮化鎵半導體材料研究與應用現狀
氮化鎵半導體材料研究與應用現狀
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(yè)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(tǒng)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(wěn)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，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(yè)正面臨投資回報率遞減，GaN憑借其優(yōu)異性能，有望促進半導體行業(yè)新的增長。
基于GaN的重要戰(zhàn)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(fā) 與 應 用，21世 紀初，美 國 國 防 部 先 進 項 目 研 究 局（DAR PA）先 后 啟 動 了“寬 禁 帶 半導 體 技 術 計 劃”（Wi d e B a n d g a pS e m i c o n d u c t o r T e c h n o l o g y Initiative，WBGSTI）和“氮化物電子下一代技術計劃”（Nitride Electronic NeX t-Genera tion TechnologyProgram，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(fā)展。
美國的一系列戰(zhàn)略部署引發(fā)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（E DA）主導開展了“可制造的基于Si C襯底的G aN器件和G aN外延層晶圓供應鏈(Manufacturable GaN—SiC—Substrates And GaN Epitaxia lWafer 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(qū)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(fā)”“GaN半導體低功耗高頻器件開發(fā)”等計劃推動第 3代半導體在未來通信系統(tǒng)中的應用。韓國制定了“GaN半導體開發(fā)計劃”，在 2004—2008年間，政府和企業(yè)共計投入 12.08億美元，推動韓國光電子產業(yè)發(fā)展。經過多年的發(fā)展，發(fā)達國家在G aN半導體材料、器件及系統(tǒng)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G aN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(fā)態(tài)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(fā)階段。
1.1 半導體照明
半導體照明行業(yè)是GaN當前主流應用領域中發(fā)展最為迅速的，產業(yè)規(guī)模超百億美元。從材料體系劃分上看，半導體照明行業(yè)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L E D照明。G aN—o n—Si C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。G aN—on—Si具有較大的成本優(yōu)勢，提高散熱表現，因此GaN—on—Si LED技術也是業(yè)界一直關注的方向。
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(guī)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 ～1200V的中低壓領域 ；而GaN—o n—Si C則集中在大于 1200V的高壓領域，如太陽能發(fā)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，G aN器件的市場份額有望在 5G時代迎來較快增長。此外，G aN充 電 器 具 有 體 積 小、質 量輕、轉換效率高、發(fā)熱低、安全性強等優(yōu)點，并隨著全球智能設備銷售量的快速增長，將帶動G aN充電器快速占領快充市場。
1.3 激光器和探測器
在激光器和探測器應用領域，G aN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(yī)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。G aN基紫外探測器在抗干擾、抗惡劣環(huán)境、高靈敏度方面具有得天獨厚的優(yōu)勢，可用于高速飛行物預警、核輻射監(jiān)測、化學生物探測等領域，但離產業(yè)化仍有一定距離。
2 基于文獻計量的 GaN 半導體材料研發(fā)態(tài)勢分析
在科學網（W e b o f S ci e n c e）中的科學引文索引擴展板（S C I—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S C I論文的發(fā)文量進行分析（圖 1所 示），可 見 從 1990—2020年間，G aN半導體材料的年度發(fā)文量逐年上升。其中，在 1993—1999年間和2018—2020年間，發(fā)文量增速較快，到2020年，相關研究論文數量達 3 314篇。年度發(fā)文量的持續(xù)上升，表明GaN持續(xù)受到較高的關注。
分析論文通訊地址所在國家和地區(qū)，并根據發(fā)文量進行排序，結果如圖 2所示。從發(fā)文國家和地區(qū)上看，美國、中國、日本、韓國和我國臺灣地區(qū)發(fā)文量排名前 5，其中中國和美國的發(fā)文量相近，約一萬篇，領先排名第 3的日本較多?？梢娢覈贕 aN半導體材料領域的研究雖然較發(fā)達國家/地區(qū)晚，但目前在G aN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(fā)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(fā)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(qū)成功大學、臺灣交通大學發(fā)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?；蚩蒲性核l(fā)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（M O C V D）、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，G aN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Incopa t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P CT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(fā)投入較大，目前已具有一定數量的技術儲備。
進一步分析P CT專利及我國有效專利的來源，結果見表 3和表 4?？梢娫贕 aN領域，全球P CT專利主要來自于日本、美國、中國、韓國和歐盟等國家和地區(qū)，其中日本、美國、歐盟在專利數量上優(yōu)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P CT專利 26.28%；從申請人類型看，前 10申請人中有 9個為企業(yè)，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(yè)。
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(yè)，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(yè)分別排名第 1和第 3，這 2家企業(yè)均為LED照明領域企業(yè)。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(yè)鏈企業(yè)，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(guī)模位居全國前列。
3.2 產業(yè)鏈與應用視角的 GaN專利分布情況
從產業(yè)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(yè)鏈視角看，專利主要集中在G aN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(fā)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(fā)展和完善，GaN半導體材料的相關研究發(fā)展迅速。在SC I論文數量方面，我國與美國發(fā)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(fā)達地區(qū)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(yè)手中?？傮w而言，我國在GaN半導體材料的研究雖然較發(fā)達國家起步較晚，但是在近年在技術創(chuàng)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(yōu)勢，可以大大提高其制備器件的性能，也備受關注。
從產業(yè)鏈及下游的應用領域分布來看，專利主要集中在G aN單晶襯底和材料外延環(huán)節(jié) ；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G aN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(fā)展。
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