氮化鎵半導(dǎo)體材料研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

余偉業(yè)

電力電子、新能源、電動(dòng)汽車、5G通訊、高速軌道列車、能源互聯(lián)網(wǎng)和智能工業(yè)等領(lǐng)域的興起，對(duì)功率器件的性能提出了越來(lái)越高的要求。但傳統(tǒng)硅（Si）器件已達(dá)到材料的物理極限，無(wú)法滿足當(dāng)前應(yīng)用場(chǎng)景的需求。作為第3代半導(dǎo)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(gè)大氣壓下，其晶體一般呈六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，其化學(xué)性質(zhì)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(zhì)結(jié)面電荷密度（1×1013cm-2）等諸多良好的電化學(xué)特性，相對(duì)于第1代半導(dǎo)體材料Si和第2代半導(dǎo)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(rèn)為是制備高溫、高頻、大功率器件的首選材料之一。當(dāng)前，Si基半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正面臨投資回報(bào)率遞減，GaN憑借其優(yōu)異性能，有望促進(jìn)半導(dǎo)體行業(yè)新的增長(zhǎng)[4]。

基于GaN的重要戰(zhàn)略意義，世界各國(guó)相繼出臺(tái)措施，推進(jìn)其材料的研究與應(yīng)用。美國(guó)早在20世紀(jì)80年代已經(jīng)開始部署第3代半導(dǎo)體相關(guān)的研發(fā)與應(yīng)用，21世紀(jì)初，美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)項(xiàng)目研究局（DARPA）先后啟動(dòng)了“寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)計(jì)劃”（Wide Bandgap Semiconductor Technology Initiative，WBGSTI）和“氮化物電子下一代技術(shù)計(jì)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(dòng)GaN寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展。美國(guó)的一系列戰(zhàn)略部署引發(fā)了全球范圍內(nèi)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，歐洲、日本、韓國(guó)等也相繼開展了相關(guān)研究。歐盟委員會(huì)下屬的歐洲防務(wù)局（EDA）主導(dǎo)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(yīng)鏈（Manufacturable GaN—SiC—Substrates And GaN Epitaxial Wafer Supply Chain，MANGA）”計(jì)劃，旨在聯(lián)合德國(guó)、法國(guó)、英國(guó)等，強(qiáng)化歐洲的GaN外延片和SiC襯底的區(qū)域內(nèi)部供應(yīng)能力。日本則通過(guò)“移動(dòng)通訊和傳感器領(lǐng)域半導(dǎo)體器件應(yīng)用開發(fā)”“GaN半導(dǎo)體低功耗高頻器件開發(fā)”等計(jì)劃推動(dòng)第3代半導(dǎo)體在未來(lái)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。韓國(guó)制定了“GaN半導(dǎo)體開發(fā)計(jì)劃”，在2004—2008年間，政府和企業(yè)共計(jì)投入12.08億美元，推動(dòng)韓國(guó)光電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，發(fā)達(dá)國(guó)家在GaN半導(dǎo)體材料、器件及系統(tǒng)的研究上取得了豐碩的成果，實(shí)現(xiàn)了從國(guó)防到民用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

本文歸納總結(jié)公開資料，梳理GaN半導(dǎo)體材料的應(yīng)用概況，結(jié)合文獻(xiàn)計(jì)量和專利分析，進(jìn)一步研究國(guó)內(nèi)外GaN半導(dǎo)體材料的技術(shù)研發(fā)態(tài)勢(shì)。

1 GaN半導(dǎo)體材料應(yīng)用概況

當(dāng)前，GaN半導(dǎo)體材料的應(yīng)用領(lǐng)域主要有半導(dǎo)體照明、電力電子器件、激光器與探測(cè)器等。此外，在太陽(yáng)能電池、生物傳感器等新興領(lǐng)域亦有應(yīng)用，但是目前仍處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。

1.1 半導(dǎo)體照明

半導(dǎo)體照明行業(yè)是GaN當(dāng)前主流應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)展最為迅速的，產(chǎn)業(yè)規(guī)模超百億美元。從材料體系劃分上看，半導(dǎo)體照明行業(yè)主要用到藍(lán)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(duì)應(yīng)不同的產(chǎn)品應(yīng)用。其中，最成熟的是GaN—on—Sapphire體系，應(yīng)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(jìn)一步推廣與運(yùn)用。GaN—on—Si具有較大的成本優(yōu)勢(shì)，提高散熱表現(xiàn)，因此GaN—on—Si LED技術(shù)也是業(yè)界一直關(guān)注的方向[4-5]。

1.2 電力電子器件

GaN在電力電子領(lǐng)域的應(yīng)用仍處于起步階段，市場(chǎng)規(guī)模僅為數(shù)億美元。其應(yīng)用主要集中在軍事通訊、電子干擾、雷達(dá)等軍用領(lǐng)域。在民用領(lǐng)域，主要應(yīng)用于通訊基站、功率器件等領(lǐng)域。從材料體系上看，GaN—on—Si器件主要的應(yīng)用于筆記本、高性能服務(wù)器、基站的開關(guān)電源等200～1 200V的中低壓領(lǐng)域；而GaN—on—SiC則集中在大于1 200V的高壓領(lǐng)域，如太陽(yáng)能發(fā)電、新能源汽車、高鐵運(yùn)輸、智能電網(wǎng)的逆變器等器件。作為實(shí)現(xiàn)5G的關(guān)鍵材料，GaN器件的市場(chǎng)份額有望在5G時(shí)代迎來(lái)較快增長(zhǎng)。此外，GaN充電器具有體積小、質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)換效率高、發(fā)熱低、安全性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并隨著全球智能設(shè)備銷售量的快速增長(zhǎng)，將帶動(dòng)GaN充電器快速占領(lǐng)快充市場(chǎng)[6]。

1.3 激光器和探測(cè)器

在激光器和探測(cè)器應(yīng)用領(lǐng)域，GaN基激光器的頻譜覆蓋范圍廣，可實(shí)現(xiàn)藍(lán)、綠、紫外激光器和紫外探測(cè)的制造。紫色激光器可用于制造數(shù)據(jù)存儲(chǔ)盤空間比藍(lán)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(lì)光源等應(yīng)用。藍(lán)色激光器可以和現(xiàn)有的紅色激光器、倍頻全固化綠色激光器一起，實(shí)現(xiàn)全真彩顯示，進(jìn)一步推進(jìn)激光電視的應(yīng)用。GaN基紫外探測(cè)器在抗干擾、抗惡劣環(huán)境、高靈敏度方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，可用于高速飛行物預(yù)警、核輻射監(jiān)測(cè)、化學(xué)生物探測(cè)等領(lǐng)域，但離產(chǎn)業(yè)化仍有一定距離[8，9]。

2 基于文獻(xiàn)計(jì)量的GaN半導(dǎo)體材料研發(fā)態(tài)勢(shì)分析

在科學(xué)網(wǎng)（Web of Science）中的科學(xué)引文索引擴(kuò)展板（SCI—Expand）數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)GaN半導(dǎo)體材料相關(guān)論文進(jìn)行檢索，共檢索到相關(guān)論文54 007篇。

對(duì)1990—2020年間氮化鎵半導(dǎo)體材料SCI論文的發(fā)文量進(jìn)行分析（圖1所示），可見(jiàn)從1990—2020年間，GaN半導(dǎo)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(guān)研究論文數(shù)量達(dá)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(guān)注。

分析論文通訊地址所在國(guó)家和地區(qū)，并根據(jù)發(fā)文量進(jìn)行排序，結(jié)果如圖2所示。從發(fā)文國(guó)家和地區(qū)上看，美國(guó)、中國(guó)、日本、韓國(guó)和我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)發(fā)文量排名前5，其中中國(guó)和美國(guó)的發(fā)文量相近，約一萬(wàn)篇，領(lǐng)先排名第3的日本較多。可見(jiàn)我國(guó)在GaN半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的研究雖然較發(fā)達(dá)國(guó)家/地區(qū)晚，但目前在GaN半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究已具有較多技術(shù)儲(chǔ)備。

進(jìn)一步對(duì)相關(guān)論文的發(fā)文通訊單位進(jìn)行分析，前10名如表1所示。中國(guó)大陸3所機(jī)構(gòu)發(fā)文量進(jìn)入全球前10，分別為中國(guó)科學(xué)院、北京大學(xué)、西安電子科技大學(xué)，其中以中國(guó)科學(xué)院為通訊機(jī)構(gòu)的文章主要來(lái)自中科院半導(dǎo)體研究所；我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)成功大學(xué)、臺(tái)灣交通大學(xué)發(fā)文量分別排名第3和第4；國(guó)外加州圣巴巴拉分校、俄羅斯科學(xué)院、韓國(guó)全北國(guó)立大學(xué)等高?；蚩蒲性核l(fā)文較多。

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

3 專利視角下的GaN半導(dǎo)體材料應(yīng)用現(xiàn)狀分析

在Incopat專利分析平臺(tái)對(duì)GaN半導(dǎo)體材料相關(guān)專利進(jìn)行檢索和分析，從專利分布的角度了解當(dāng)前塊體納米晶金屬材料的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景。截至檢索日期，共檢索到PCT專利2 401件，中國(guó)有效專利5 021件。

3.1 GaN半導(dǎo)體材料專利總體情況

從圖3可見(jiàn)，2000—2019年間，全球GaN半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的PCT專利數(shù)量呈緩慢上升，而我國(guó)雖然在該領(lǐng)域起步較晚，但中國(guó)有效專利數(shù)量在近15年間增長(zhǎng)迅速，表明我國(guó)在這段時(shí)間在本領(lǐng)域的研發(fā)投入較大，目前已具有一定數(shù)量的技術(shù)儲(chǔ)備。

進(jìn)一步分析PCT專利及我國(guó)有效專利的來(lái)源，結(jié)果見(jiàn)表3和表4。可見(jiàn)在GaN領(lǐng)域，全球PCT專利主要來(lái)自于日本、美國(guó)、中國(guó)、韓國(guó)和歐盟等國(guó)家和地區(qū)，其中日本、美國(guó)、歐盟在專利數(shù)量上優(yōu)勢(shì)明顯。從專利數(shù)量看，前10申請(qǐng)人均來(lái)自于日本和美國(guó)，占據(jù)全球PCT專利26.28%；從申請(qǐng)人類型看，前10申請(qǐng)人中有9個(gè)為企業(yè)，僅有加州大學(xué)申請(qǐng)人類型為高校，可見(jiàn)PCT專利主要來(lái)源于企業(yè)。

從國(guó)內(nèi)有效專利上看，當(dāng)前我國(guó)有效專利主要來(lái)自于廣東、江蘇、北京等省市，67.28%的專利申請(qǐng)人為企業(yè)，33.28%的專利申請(qǐng)人為大專院校和科研單位，而前10申請(qǐng)人主要為高校或科研院所，西安電子科技大學(xué)、華南理工大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所等機(jī)構(gòu)有效專利數(shù)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L(zhǎng)ED照明領(lǐng)域企業(yè)。其中，華燦光電股份有限公司是目前國(guó)內(nèi)第2大LED芯片供應(yīng)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(yīng)用產(chǎn)品全產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)，目前已形成了年產(chǎn)GaN基外延片和芯片600萬(wàn)片的生產(chǎn)能力，公司外延片和芯片生產(chǎn)規(guī)模位居全國(guó)前列。

3.2 產(chǎn)業(yè)鏈與應(yīng)用視角的GaN專利分布情況

從產(chǎn)業(yè)鏈（單晶襯底→材料外延→器件設(shè)計(jì)與制造）和應(yīng)用（半導(dǎo)體照明、電力電子器件、激光器和探測(cè)器）角度對(duì)當(dāng)前我國(guó)有效專利進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4和圖5所示。

從產(chǎn)業(yè)鏈視角看，專利主要集中在GaN單晶襯底，占比達(dá)44%；其次是材料外延，占比31%。從應(yīng)用層面看，專利大部分集中在半導(dǎo)體照明領(lǐng)域，占比達(dá)71%，可見(jiàn)半導(dǎo)體照明仍然是當(dāng)前GaN半導(dǎo)體材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域，并且有效專利數(shù)量在2007—2016年間增長(zhǎng)迅速；電力電子器件領(lǐng)域的有效專利數(shù)量在2013年之后，較之前有較快的增長(zhǎng)；激光器和探測(cè)器領(lǐng)域的有效專利數(shù)量雖然在2014年之后有一定增長(zhǎng)，但總體數(shù)量較少。

4 結(jié)語(yǔ)

從論文以及專利的發(fā)表情況來(lái)看，隨著20世紀(jì)90年代后材料生長(zhǎng)和器件工藝水平的不斷發(fā)展和完善，GaN半導(dǎo)體材料的相關(guān)研究發(fā)展迅速。在SCI論文數(shù)量方面，我國(guó)與美國(guó)發(fā)文量相近，遙遙領(lǐng)先其他國(guó)家；在專利方面，我國(guó)與美國(guó)、日本、歐盟等發(fā)達(dá)地區(qū)仍有較大的差距，PCT專利較為集中地掌握在美國(guó)、日本的知名電子電器企業(yè)手中?？傮w而言，我國(guó)在GaN半導(dǎo)體材料的研究雖然較發(fā)達(dá)國(guó)家起步較晚，但是在近年在技術(shù)創(chuàng)新上已經(jīng)有較好的儲(chǔ)備，且在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的技術(shù)較為雄厚。

從研究熱點(diǎn)上看，研究大多針對(duì)GaN在LED和HEMT上的應(yīng)用。而工藝方法上，研究人員主要關(guān)注金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積、分子束外延、金屬有機(jī)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(cuò)位密度低等優(yōu)勢(shì)[10]，可以大大提高其制備器件的性能，也備受關(guān)注。

從產(chǎn)業(yè)鏈及下游的應(yīng)用領(lǐng)域分布來(lái)看，專利主要集中在GaN單晶襯底和材料外延環(huán)節(jié)；從應(yīng)用層面看，國(guó)內(nèi)有效專利主要集中在半導(dǎo)體照明領(lǐng)域，表明半導(dǎo)體照明是當(dāng)前GaN半導(dǎo)體材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域；而電力電子器件領(lǐng)域有效專利數(shù)量在近年有較快增長(zhǎng)，有望在未來(lái)一段時(shí)間迎來(lái)快速發(fā)展。

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

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