氮化鎵用途和性質

　　第三代半導體材料以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化鋅（ZnO）、金剛石為代表，是5G時代的主要材料，其中氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的市場和發展空間最大。

　　氮化鎵作為第三代半導體材料，有更高的禁帶寬度，是迄今理論上電光、光電轉換效率最高的材料體系，下游應用包括微波射頻器件(通信基站等)，電力電子器件(電源等)，光電器件(LED照明等)。不過，第三代半導體材料中，受技術與工藝水平限制，氮化鎵材料作為襯底實現規模化應用仍面臨挑戰，其應用主要是以藍寶石、硅晶片或碳化硅晶片為襯底，通過外延生長氮化鎵以制造氮化鎵器件。

　　實際上，氮化鎵（GaN）技術并不是一種新的半導體技術，自1990年起就已經常被用在發光二極管中，但成本昂貴。從制造工藝上來說，氮化鎵沒有液態，不能使用單晶硅生產工藝的傳統直拉法拉出單晶，需要純靠氣體反應合成，而氮氣性質非常穩定，鎵又是非常稀有的金屬（鎵是伴生礦，沒有形成集中的鎵礦，主要從鋁土礦中提煉，成本比較高），而且兩者反應時間長，速度慢，反應產生的副產物多。生產氮化鎵對設備要求又苛刻，技術復雜，產能極低，眾多因素疊加影響導致氮化鎵單晶材料很貴。

　　氮化嫁材料的相關應用

　　GaN 基光電器件

　　豆丁

　　GaN 材料系列是·種想的短波長發光器件材料,GaN 及共合金的帶隙復蓋了從紅色到紫外的光譜范圍。自從 1991 年日本研制出同質結 Ga 藍色 LED之后,InGaN/A1GaN 雙異質結超亮度藍色 LED、InGaN 單量子阱 GaNLED 相問出目前,Zcd和6cd單量子阱GaN 藍色和綠色 LED 已進入大批量生產階段,從而填補了市場上藍色 LED 多年的空白。以發光效率為標志的 LED 發展歷程見圖 3。藍色發光器件在高密度光盤的信息存取、全光顯示、激光打印機等領域有著巨大的應用市場。隨著對III族氮化物材料和器件研究與開發工作的不斷深入,GaInN 超高度藍光、綠光 LED 技術已經實現商品化,現在世界各大公司和研究機構都紛紛投入巨資加入到開發藍光 LED 的競爭行列。

　　1993 年,Nichia 公司首先研制成發光亮度超過 cd 的高亮度 GaInN/A1GaN異質結藍光LED,使用摻 Zn的GaInN作為有源層,外量子效率達到2.7%,峰值波長450nm,并實現產品的商品化。1995 年,該公司又推出了光輸出功率為 2.0mW,亮度為 6cd 商品化GaN綠光 LED 產品,其峰值波長為 525nm,半峰寬為 40nm。最近,該公司利用其藍光 LED 和磷光技術,又推出了白光固體發光器件產品,其色溫為6500K,效率達 7.5 流明/W。除 Nichia 公司以外,HP、Cree 等公司相繼推出了各自的高亮度藍光 LED 產品。高亮度 LED 的市場預計將從 1998 年的 3.86 億美元躍升為 2003 年的10 億美元。高亮度 LED 的應用主要包括汽車照明交通信號和室外路標,平板金色顯示,高密度 DVD 存儲,藍綠光對潛通信等。

　　在成功開發I族氮化物藍光 LED 之后,研究的重點開始轉向II族氮化物藍光LED 器件的開發。監光 LED 在光控測和信息的高密度光存儲等領域具有廣闊的應用前景?？谇癗ichia 公司在 GaN 藍光 LED 領域居世界領先地位其 GaN 藍光 LED室溫下 2mW 連續工作的命突破 10000 小時。HP 公司以藍寶石為襯底,研制成功光脊波導折射率導引GaInN/A1GaN 多量子阱藍光LED。Cree 公司和 Fujitsu 公司采用 Sic 作為襯底材料,開發II 族氮化物藍光IED,CreeResearch 公司首家報道了SiC上制作的 CWRT 藍光激光器,該激光器彩霞的是橫向器件結構。富士通繼Nichia,CreeResearch 和索尼等公司之后,宣布研制成了 InGaN 藍光激光器,該激光器可在室溫下 CW 應用,其結構是在 SiC 底上生長的,并且采用了垂直傳導結構(P 型和 n 型接觸分別制作在品片的頂面和背面),這是首次報道的垂直器件結構的 CW 藍光激光器。在探測器方面,已研制出 GaN 紫外探測器,波長為 369nm,其響應速度與 Si 探測器不相上下。但這方面的研究還處于起步階段。GaN 探測器將在火焰探測、導彈預警等方面有重要應。

　　氮化嫁材料的前景及展望

　　在未來 10 年里，氮化材料將成為市場增幅最快的半導體材料,到 2006年將達到 30 億美元的產值,占化合物半導體市場總額的 20%。同時,作為新型光顯示、光存儲、光照明、光探測器件,可促進上千億美元相關設備、系統的新產業的形成。根據美國市場調研公司 Strategies Unlimited 的分析數據,2001年世界 GaN 器件市場接近 7 億美元,還處于發展初期。該公司預測即使最保守發展,2009 年世界 GaN 器件市場將達到48 億美元的銷售額。專家認為,新的 GaN基應用產品的出現和電子器件向光電乃至光子器件升級等因素將使得未來 GaN 市場很有可能呈突變性急劇增長態勢。從投資角度看,目前對于 GaN 基 LED 的投資相對較多。但同時有必要給予GaN基功率晶體管和GaN基藍色激光器以更多關注盡管現階段其制造技術仍然不成熟,但預計一在村底等關鍵技術領域取得突破其產業化進程將會取得長足發展。