氮化鎵(GaN)是一種性能穩(wěn)定的化合物，在室溫下， GaN不溶于水、酸和堿，而在熱的堿溶液中以非常緩慢的速度溶解。NaOH、H₂SO₄和H₃PO₄能較快地腐蝕質(zhì)量差的GaN，可用于這些質(zhì)量不高的GaN晶體的缺陷檢測。GaN在HCL或H₂氣下，在高溫下呈現(xiàn)不穩(wěn)定特性，而在N2氣下最為穩(wěn)定。

氮化鎵中主要是共價鍵，由于氮和鎵兩種組分在電負(fù)性上的明前差別，在該化合物中存在相當(dāng)大的離子成分，它決定了各結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。氮化鎵（GaN）化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定,硬度強,耐高溫,其熔點約為1700℃，并且具有很高的電離度，在Ⅲ-Ⅴ族化合物中是最高的(0.5或0.43)。GaN是一種導(dǎo)熱性和機械性能都非常優(yōu)異的半導(dǎo)體材料。到目前為止我們已知的GaN有三種晶體結(jié)構(gòu)，它們分別為纖鋅礦、閃鋅礦和巖鹽礦。通常的情況下纖鋅礦是最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，閃鋅礦結(jié)構(gòu)的GaN通常在高溫的條件下會轉(zhuǎn)變成更加穩(wěn)定的纖鋅礦結(jié)構(gòu)的GaN，而巖鹽相是GaN的高壓相結(jié)構(gòu)（壓力一般大于37GPa），通常情況下是不容易存在的。

氮化鎵是氮和鎵的化合物，是一種直接能隙的半導(dǎo)體，該化合物結(jié)構(gòu)類似纖鋅礦，硬度很高。氮化鎵的能隙很寬，為3.4電子伏特，可以用在高功率、高速的光電元件中，如氮化鎵可以用在紫光的激光二極管，可以在不使用非線性半導(dǎo)體泵浦固體激光器的條件下，產(chǎn)生紫光激光。

圖1為纖鋅礦結(jié)構(gòu)GaN的晶胞結(jié)構(gòu)示意圖，它的一個元胞中有四個原子。 

圖1

GaN材料應(yīng)用

GaN為第三代半導(dǎo)體材料，它是一種具有較大禁帶寬度的半導(dǎo)體，工作溫度高，是微波功率晶體管的優(yōu)良材料。GaN晶體一般是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，原子體積大約為GaAs的一半。GaN受青睞的主要原因是它是寬禁帶，與硅或者其他IIIV族器件相比，氮化鎵速度更快，擊穿電壓也更高。采用GaN，能夠使電子設(shè)備放置得離天線更近，使電子設(shè)備變得更加強大、輕型和小型化。

GaN材料是寬禁帶半導(dǎo)體材料，為直接帶隙半導(dǎo)體材料，具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導(dǎo)率、更高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力。其光躍遷幾率比間接帶隙的高約一個數(shù)量級，具有優(yōu)良的化學(xué)和電學(xué)性質(zhì)、良好的材料機械性能、高電子飽和速度、高熱導(dǎo)率等優(yōu)良性質(zhì)，更適合用于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件，在光電領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。氮化鎵的應(yīng)用領(lǐng)域以LED、FET、LD、太陽能電池、功率器件等方面為主，LED和FET為熱點研發(fā)領(lǐng)域。

氮化鎵在器件類型上主要應(yīng)用于發(fā)光二極管、場效應(yīng)晶體管、二極管、太陽能電池等。其中FET涉及多種類型的器件：IGFET、HEMT、MOSFET、bipolar transistor、JFET、MISFET、IGBT等。二極管主要涉及整流二極管、發(fā)光二極管等。

GaN引領(lǐng)5G時代

基于氮化鎵的性質(zhì)，其電子遷移率比傳統(tǒng)材料要高得多，同樣的體積可以實現(xiàn)更高功率的電能轉(zhuǎn)換，使電子設(shè)備變得更加強大、輕型和小型化。早期的氮化鎵材料被運用到通信、軍工領(lǐng)域，隨著技術(shù)的進(jìn)步以及人們的需求，氮化鎵產(chǎn)品已經(jīng)走進(jìn)了我們生活中。

日常我們比較熟悉的是第三代半導(dǎo)體氮化鎵在射頻電子和電力電子兩大領(lǐng)域的應(yīng)用。氮化鎵微波器件具有高電壓、高功率、耐高溫、寬頻及高增益特點，在無線通訊、雷達(dá)和寬頻帶通信等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。氮化鎵電力電子器件產(chǎn)品具有高效率、高速度、高結(jié)溫的特點，在工業(yè)控制、電源、電動汽車以及太陽能逆變器領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，能夠有效降低電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)損耗50%以上，同時成倍地減小設(shè)備體積，減少銅等貴重原材料消耗，其耐高溫的特性也為節(jié)約重量、減少體積，特別適用于環(huán)境惡劣的場合。

以下介紹兩種GaN更加生活化的應(yīng)用。

一、 應(yīng)用于快速充電器

2019年3月1日，ANKER GaN技術(shù)充電器的第一款產(chǎn)品正式在國內(nèi)上市，名叫ANKER PowerPort Atom PD 1，它支持USB PD快充，最大輸出達(dá)30W，它的體型小巧重量輕盈，單從外觀來看它完全不像是一枚具有30W功率輸出的充電器。此后Anker相繼推出第二款內(nèi)置氮化鎵的產(chǎn)品，Anker PowerCore Fusion PD超級充、內(nèi)置GaN功率器件的60W充電器。與蘋果祖?zhèn)?W充電頭相比，該款充電器體積小，但是功率大，不僅如此，蘋果5W充電器在充電過程中發(fā)熱嚴(yán)重，而該款充電器發(fā)熱溫和。

以下為ANKER PowerPort Atom PD 1充電器圖示：

其芯片是 PI SC1933C，屬于PI InnoGaN 系列，這個是PI推出的首款GaN電源產(chǎn)品，標(biāo)志著GaN元件在USB PD快充電源上得到全面應(yīng)用，其高頻率低損耗的優(yōu)勢，能夠提高充電器的功率密度，減小體積和重量，更加便于攜帶。

2019年5月25日，專注于ODM業(yè)務(wù)的電源配件廠商仁越科技舉辦“2019 UIBI柚比品牌發(fā)布會”，推出了旗下面向消費者的全新品牌UIBI柚比，并展示了使用GaN元件的PD快充頭。UIBI柚比旗下的GaN PD快充頭分為30W、45W和50W三個不同功率的版本可選。每一款都各具特色，UIBI柚比為其起名三個“極致”。

同時小米、OPPO、華為都在爭奪50W以上的大功率快充市場。未來GaN材料在大功率快充市場的應(yīng)用前景不可限量。

為什么氮化鎵GaN在快充上能做到如此優(yōu)秀？

因為GaN元件具有高頻率低損耗的優(yōu)勢，能夠提高充電器的功率密度，減小體積和重量，更加便于攜帶。

相對硅而言，氮化鎵擁有更寬的帶隙，寬帶隙也意味著，氮化鎵能比硅承受更高的電壓，擁有更好的導(dǎo)電能力。簡而言之兩種材料在相同體積下，氮化鎵比硅的效率高出不少。如果氮化鎵替換現(xiàn)在所有電子設(shè)備，可能會讓電子產(chǎn)品的用電量再減少10%或者25%。氮化鎵材料的電子遷移率比傳統(tǒng)材料要高得多，同樣的體積可以實現(xiàn)更高功率的電能轉(zhuǎn)換，而且效率非常高，耐熱性也很強，應(yīng)用在高功率充電頭上，可以說是非常適合。氮化鎵還可以比硅更容易在高溫環(huán)境中存活下來，它可以應(yīng)付更復(fù)雜的環(huán)境設(shè)計。比如，車載ECU往往需要遠(yuǎn)離發(fā)動機，并加裝額外的散熱裝備。但是基于氮化鎵的車載ECU可能不需要考慮這么多，甚至可以和發(fā)動機捆綁以節(jié)省成本，驅(qū)動汽車設(shè)計進(jìn)一步升級。

二、應(yīng)用于5G通訊

2018年10日揭幕的2018中國國際應(yīng)用科技交易博覽會上，國產(chǎn)5G通信基站GaN(氮化鎵)功率放大器芯片對外亮相。中國發(fā)明成果轉(zhuǎn)化研究院有關(guān)負(fù)責(zé)人透露，GaN芯片已完成多款產(chǎn)品設(shè)計，并已獲得中電集團(tuán)客戶認(rèn)證成功，計劃2019年正式推出。該芯片將可全面滿足中國5G通信基站對射頻功率放大器的需求，未來可望實現(xiàn)人與人乃至物聯(lián)網(wǎng)、生產(chǎn)機器人、無人駕駛“實時無線電通信”。日前國產(chǎn)5G通信基站GaN（氮化鎵）芯片已經(jīng)通過認(rèn)證，打破了國外的壟斷情況。

器件的物理特性決定了應(yīng)用，氮化鎵高禁帶電壓比較高，支持更高的頻率，因此可應(yīng)用于高壓高功率和寬帶寬的場合。氮化鎵在大功率放大器，大功率開關(guān)以及高頻微波級別的功率應(yīng)用上，將有它的獨特優(yōu)勢，包括功率放大器、開關(guān)、限幅器等。同時在低功率應(yīng)用中，包括傳統(tǒng)的低噪聲放大器、手機放大器、電源轉(zhuǎn)換等應(yīng)用場合中，氮化鎵同樣是適合的。

5G高頻率特性讓氮化鎵（GaN）半導(dǎo)體成為功率放大器市場主流技術(shù)，同時，GaN功率元件也開始被大量應(yīng)用在車聯(lián)網(wǎng)及電動車領(lǐng)域。

隨著5G技術(shù)即將全面商用，基地臺升級商機龐大，由于5G技術(shù)上采用更高操作頻率，業(yè)界對于GaN元件將逐步取代橫向擴(kuò)散金氧半導(dǎo)體（LDMOS）并成為市場主流技術(shù)已有高度共識。另外，在手機PA元件部份，3G及4G主要采用GaAs制程，5G因為高頻的關(guān)系，讓GaN制程的PA元件很有機會成為市場新主流。

手機射頻前端模組包括功率放大器、射頻開關(guān)及其他元器件（濾波器等）。用于放大輸入信號的功率放大器通常采用砷化鎵工藝。砷化鎵成本較低，性能目前夠用。現(xiàn)在手機使用的電壓范圍為3-5V，在這種電壓下，氮化鎵的性能要打折扣，但是在3GHZ以上，氮化鎵將發(fā)揮巨大作用，其傳輸速率可達(dá)到10Gbps，是目前4G速度的100倍。預(yù)計到2020年，5G開始大規(guī)模商用部署，到時候5G不但兼容4G網(wǎng)絡(luò)，還會使用非授權(quán)或毫米波波段（30GHZ-300GHZ，波長為10mm到1mm）。

GaN材料應(yīng)用舉例

近年來，國家對第三代半導(dǎo)體材料愈發(fā)重視，我國半導(dǎo)體材料市場發(fā)展迅速。以碳化硅與氮化鎵為主的材料受到更多關(guān)注。而采用GaN的微波射頻器件目前主要用于軍事領(lǐng)域及4G/5G通訊基站應(yīng)用場景，出于軍事安全的考量，國外對高性能的氮化鎵器件實行對華禁運。開展GaN研發(fā)對于打破國外壟斷具有重要的意義。但是目前碳化硅與氮化鎵材料和器件方面產(chǎn)業(yè)鏈尚未形成等，這些問題需逐步解決，方可讓國產(chǎn)半導(dǎo)體材料屹立于世界頂尖行列。

GaN制備方法總結(jié)

氮化鎵制備方法總結(jié) 表1

氮化鎵外延層制備方法總結(jié) 表2

GaN粉體材料的合成

波蘭科學(xué)家在高溫（1600℃）高壓（15-20kbar）下采用金屬鎵與氮氣直接合成了GaN材料。其反應(yīng)方程式為：

通過Ga與NH₃的化學(xué)反應(yīng)也可實現(xiàn)GaN的合成。生長GaN需要一定的生長溫度，且需要一定的NH₃分壓。其可逆的反應(yīng)方程式為：

河北利福光電技術(shù)有限公司目前已經(jīng)實現(xiàn)了氮化鎵（GaN）粉體的批量生產(chǎn)，可以為客戶提供超高純超細(xì)（大于5N，小于1mm）的氮化鎵粉體材料。

圖2 LPO GaN粉體 

圖3 LPO GaN

此外河北利福光電技術(shù)有限公司已開發(fā)出氮化稀土，氮化堿土金屬，氮化鐵，氮化鋯，氮化鋰，氮化釩，氮化鍺，氮化銅和氮化銦等氮化物產(chǎn)品40余種，可為客戶定制各種納米和亞微米級的各類氮化物，可應(yīng)用于磁性材料，靶材材料，LED熒光粉，鋰電池、儲能材料和催化劑等領(lǐng)域，另有開發(fā)了低成本的氮化鐵、氮化鎵和氮化銅產(chǎn)品，可以滿足大工業(yè)生產(chǎn)批量供貨的需求。

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作者：河北利福光電技術(shù)有限公司 李方