第三代半导体之氮化镓性能特点及运用

第三代半导体之氮化镓
性能特点及运用
GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点，是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，并与SIC、金刚石等半导体材料一起，被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。

它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好（几乎不被任何酸腐蚀）等性质和强的抗辐照能力。

氮化镓（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。

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。

一、氮化镓的性能特点：
1.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。

2.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。

3.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。

二、氮化镓的运用
1.新型电子器件
GaN材料系列具有低的热产生率和高的击穿电场，是研制高温大功率电子器件和高频微波器件的重要材料。

目前，随着MBE技术在GaN材料应用中的进展和关键薄膜生长技术的突破，成功地生长出了GaN多种异质结构。

用GaN材料制备出了金属场效应晶体管（MESFET）、异质结场效应晶体管(HFET)、调制掺杂场效应晶体管（MODFET）等新型器件。

调制掺杂的AlGaN/GaN结构具有高的电子迁移率(2000cm2/v·s)、高的饱和速度(1×107cm/s)、较低的介电常数，是制作微波器件的优先材料；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。

2.光电器件
GaN材料系列是一种理想的短波长发光器件材料，GaN及其合金的带隙覆盖了从红色到紫外的光谱范围。

自从1991年日本研制出同质结GaN 蓝色LED之后，InGaN/AlGaN双异质结超亮度蓝色LED、InGaN单量子阱GaNLED相继问世。

目前，Zcd和6cd单量子阱GaN蓝色和绿色LED 已进入大批量生产阶段，从而填补了市场上蓝色LED多年的空白。

以发光效率为标志的LED发展历程见图3。

蓝色发光器件在高密度光盘的信息存取、全光显示、激光打印机等领域有着巨大的应用市场。