隨著人工智能、高頻通訊等領域的發展，第一代半導體鍺(Ge)、硅(Si)等已經發展得十分成熟，甚至已逐漸接近物理極限，于是人們紛紛在半導體領域尋找新的機遇，氮化鎵作為第三代半導體材料，在一眾候選者中脫穎而出。

氮化鎵為何可以脫穎而出？

氮化鎵屬于Ⅲ-Ⅴ族化合物，擁有直接帶隙半導體材料的特性。按照化學鍵的類型不同，氮化鎵晶體結構可分為六方纖鋅礦和立方閃鋅礦結構。在化合物中，主要存在離子鍵和共價鍵兩種化學鍵，離子鍵含量越多，越容易形成纖鋅礦結構。由于Ga和N存在較大的電負性差異，更容易形成離子鍵。因此在常溫狀態下，GaN往往呈現六方纖鋅礦結構，這不僅賦予它熱穩定性高、耐腐蝕的特性，還使得其在生長過程中有很高的優選性，有利于形成低缺陷密度的單晶層。

氮化鎵晶體結構

而相比第一二代半導體，GaN是一種具有寬帶隙的半導體，其帶隙寬度為3.4eV，幾乎是Si的三倍，需要更高的能量將價電子激發到導帶中，這意味著在光電子器件中，氮化鎵可以發射和吸收較高能量的光。除此之外，其導帶底在Γ點，而且與導帶的其他能谷之間能量差大，不易產生谷間散射，能得到很高的強場漂移速度。因此，氮化鎵器件可以承受更大的電場強度，具有良好的熱穩定性，在高電壓、高電流、高頻率、高溫場景下都能保持優異的性能。

氮化鎵的應用價值有多大？

基于上述優異特性，目前氮化鎵在射頻電子領域、功率器件、光電子、傳感器等領域都有著極大的應用價值。

1.射頻應用

與Si、GaAS相比，氮化鎵器件在高功率、高頻率和寬帶應用中具有明顯優勢，迄今為止100GHz范圍內最為理想的微波功率器件，因此其在射頻（RF）應用中發揮著重要作用，尤其在無線通信、雷達和電子戰等領域。比如在無線通信領域，傳統的硅基射頻功率放大器在高頻率和高功率應用中存在功率損耗大、效率低等問題，已無法滿足需求5G和6G等新一代無線通信技術的要求，而若采用氮化鎵在射頻前端模塊中替代硅半導體，可顯著提高無線通信的速率和容量。

600W氮化鎵射頻功率放大器（來源：能訊半導體）

2.功率器件

電子電力器件離不開半導體材料的發展。基于Si材料的電子器件性能目前逐漸趨于極限，迫切需要更優異的電子器件，氮化鎵晶體管憑借較好的介電常數、優異的電子遷移率、高的臨界電場、耐高溫的優點，開始成為Si功率器件的潛在替代品。比如，隨著氮化鎵工藝技術的成熟，許多企業紛紛將它應用于“快充”充電器上，逐步代替傳統的充電器，不僅可以在相同的功率條件下，實現更小的體積，更快的充電速度，而且其能效轉換率超過90%，遠高于傳統硅基充電器。此外，GaN的高熱導率有助于充電器內部熱量快速散出，降低工作溫度，提高設備穩定性與使用壽命。

華為推出的氮化鎵快充充電器

3.光電子領域

自從1991年日本研制出同質結GaN藍光LED之后，GaN已是現今半導體照明中藍光發光二極管的核心材料。目前，GaN光電器件產品主要包括Mini-LED和Micro-LED。與傳統LED相比，MicroLED芯片量級更小，而且還具有自發光、低功耗、高亮度、超高分辨率、高色彩飽和度的優點，高清顯示性能更好，可以應用于超大屏高清智能電視、消費電子顯示屏，以及手機、電腦等消費電子背光應用，VR/AR等多個領域。

氮化鎵光電集成器件（來源：南方科技大學新聞網）

4.傳感器

傳感器能夠檢測到周邊信號，并將其轉換為可處理的輸出信號，被廣泛應用于工業，醫學、航空等領域。而氮化鎵憑借優異的性能在溫度傳感器、紅外線傳感器、壓力傳感器中都有廣泛應用。

（1）溫度傳感器：

相比于其他傳感器，半導體傳感器具有更小的體積，靈敏度高、功耗低以及抗干擾能力，更適用于在IC集成電路中使用，但以Si基或SiC基的半導體傳感器因其材料特性，無法在高溫環境下工作，而GaN基的功率二極管器件能在高溫、高壓、高輻射的環境下工作，更好的滿足溫度傳感器的需求。

（2）壓力傳感器：

美國國家航空航天局利用GaN的耐高溫、耐腐蝕、抗輻射性質，制造出應用于宇宙飛船上的GaN/AlGaN基壓力傳感器。其工作原理是：在AlGaN/GaN異質結構中發生的二維電子氣（2DEG）效應來設計在器件中對機械應變電敏感的傳感器。

（3）紫外傳感器：

基于氮化鎵材料的紫外傳感器是一種具有良好紫外線選擇性的光電二極管，其對紫外線波段的響應信號很大，而對可見光（光波長范圍為390-750nm）的響應信號很小，因此其受紫外線照射后會產生一定的電壓輸出信號，并且輸出電壓信號與紫外線照射強度成遞增關系。目前紫外傳感器在軍事以及醫學如癌癥早期探測等領域都獲得了應用。

氮化鎵紫外傳感器（來源：鎵敏光電）

小結

相比第一二代半導體材料，氮化鎵能滿足下一代電子裝備對功率器件更大功率、更高頻率、更小體積和更惡劣條件（更高溫度）下工作的要求，成為第三代半導體材料的代表，目前被廣泛應用于功率器件、射頻、光電子、傳感器等領域中。不過由于襯底與薄膜晶格的相配性，氮化鎵主要生長在碳化硅上，但目前碳化硅晶圓尚無法突破6英寸晶圓的大小，價格較高，要想氮化鎵器件的產能提升，未來還需要進一步尋找成本更低、良率更高的生產方法。

參考文獻：

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4、劉義鶴，江洪.新材料產業.《氮化鎵材料在傳感器中的應用》

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