氮化鎵半導(dǎo)體材料研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

電力電子、新能源、電動汽車、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，對功率器件的性能提出了越來越高的要求。但傳統(tǒng)硅（Si）器件已達到材料的物理極限，無法滿足當(dāng)前應(yīng)用場景的需求。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，因而被認為是制備高溫、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)正面臨投資回報率遞減，GaN憑借其優(yōu)異性能，有望促進半導(dǎo)體行業(yè)新的增長。

基于GaN的重要戰(zhàn)略意義，世界 各 國 相 繼 出 臺 措 施，推 進 其 材料 的 研 究 與 應(yīng) 用。美 國 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 國 防 部 先 進 項 目 研 究 局（DAR PA）先 后 啟 動 了“寬 禁 帶 半導(dǎo) 體 技 術(shù) 計 劃”（Wi d e B a n d g a pS e m i c o n d u c t o r T e c h n o l o g y Initiative，WBGSTI）和“氮化物電子下一代技術(shù)計劃”（Nitride Electronic NeX t-Genera tion TechnologyProgram，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GaN寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展。

美國的一系列戰(zhàn)略部署引發(fā)了全球范圍內(nèi)的激烈競爭，歐洲、日本、韓國等也相繼開展了相關(guān)研究。歐盟委員會下屬的歐洲防務(wù)局（E DA）主導(dǎo)開展了“可制造的基于Si C襯底的G aN器件和G aN外延層晶圓供應(yīng)鏈(Manufacturable GaN—SiC—Substrates And GaN Epitaxia lWafer Supply Chain，MANGA)”計劃，旨在聯(lián)合德國、法國、英國等，強化歐洲的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“移動通訊和傳感器領(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)”等計劃推動第 3代半導(dǎo)體在未來通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。韓國制定了“GaN半導(dǎo)體開發(fā)計劃”，在 2004—2008年間，政府和企業(yè)共計投入 12.08億美元，推動韓國光電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展。經(jīng)過多年的發(fā)展，發(fā)達國家在G aN半導(dǎo)體材料、器件及系統(tǒng)的研究上取得了豐碩的成果，實現(xiàn)了從國防到民用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

本文歸納總結(jié)公開資料，梳理G aN半導(dǎo)體材料的應(yīng)用概況，結(jié)合文獻計量和專利分析，進一步研究國內(nèi)外GaN半導(dǎo)體材料的技術(shù)研發(fā)態(tài)勢。

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、激光器與探測器等。此外，在太陽能電池、生物傳感器等新興領(lǐng)域亦有應(yīng)用，但是目前仍處于實驗室研發(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L E D照明。G aN—o n—Si C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一步推廣與運用。G aN—on—Si具有較大的成本優(yōu)勢，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。

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 ～1200V的中低壓領(lǐng)域 ；而GaN—o n—Si C則集中在大于 1200V的高壓領(lǐng)域，如太陽能發(fā)電、新能源汽車、高鐵運輸、智能電網(wǎng)的逆變器等器件。作為實現(xiàn)5G的關(guān)鍵材料，G aN器件的市場份額有望在 5G時代迎來較快增長。此外，G aN充 電 器 具 有 體 積 小、質(zhì) 量輕、轉(zhuǎn)換效率高、發(fā)熱低、安全性強等優(yōu)點，并隨著全球智能設(shè)備銷售量的快速增長，將帶動G aN充電器快速占領(lǐng)快充市場。

1.3 激光器和探測器

在激光器和探測器應(yīng)用領(lǐng)域，G aN基激光器的頻譜覆蓋范圍廣，可實現(xiàn)藍、綠、紫外激光器和紫外探測的制造。紫色激光器可用于制造數(shù)據(jù)存儲盤空間比藍光光盤高出 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、熒光激勵光源等應(yīng)用。藍色激光器可以和現(xiàn)有的紅色激光器、倍頻全固化綠色激光器一起，實現(xiàn)全真彩顯示，進一步推進激光電視的應(yīng)用。G aN基紫外探測器在抗干擾、抗惡劣環(huán)境、高靈敏度方面具有得天獨厚的優(yōu)勢，可用于高速飛行物預(yù)警、核輻射監(jiān)測、化學(xué)生物探測等領(lǐng)域，但離產(chǎn)業(yè)化仍有一定距離。

2 基于文獻計量的 GaN 半導(dǎo)體材料研發(fā)態(tài)勢分析

在科學(xué)網(wǎng)（W e b o f S ci e n c e）中的科學(xué)引文索引擴展板（S C I—Expand）數(shù)據(jù)庫對GaN半導(dǎo)體材料相關(guān)論文進行檢索，共檢索到相關(guān)論文54 007篇。

對 1990—2020年間氮化鎵半導(dǎo)體材料S C I論文的發(fā)文量進行分析（圖 1所 示），可 見 從 1990—2020年間，G aN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 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家和地區(qū)，并根據(jù)發(fā)文量進行排序，結(jié)果如圖 2所示。從發(fā)文國家和地區(qū)上看，美國、中國、日本、韓國和我國臺灣地區(qū)發(fā)文量排名前 5，其中中國和美國的發(fā)文量相近，約一萬篇，領(lǐng)先排名第 3的日本較多?？梢娢覈贕 aN半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的研究雖然較發(fā)達國家/地區(qū)晚，但目前在G aN半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究已具有較多技術(shù)儲備。

進一步對相關(guān)論文的發(fā)文通訊單位進行分析，前 10名如表 1所示。中國大陸 3所機構(gòu)發(fā)文量進入全球前10，分別為中國科學(xué)院、北京大學(xué)、西安電子科技大學(xué)，其中以中國科學(xué)院為通訊機構(gòu)的文章主要來自中科院半導(dǎo)體研究所 ；我國臺灣地區(qū)成功大學(xué)、臺灣交通大學(xué)發(fā)文量分別排名第3和第 4 ；國外加州圣巴巴拉分校、俄羅斯科學(xué)院、韓國全北國立大學(xué)等高?；蚩蒲性核l(fā)文較多。對相關(guān)論文的關(guān)鍵詞進行分析，如表 2所示。在制備方法上，金屬有機化學(xué)氣相沉積（M O C V D）、分子束外延（Molecular beam epitaxy）和金屬有機氣相外延（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 ；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，G aN納米線、缺陷、摻雜也是研究人員關(guān)注的熱點。

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

在Incopa t專利分析平臺對GaN半導(dǎo)體材料相關(guān)專利進行檢索和分析，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P CT專利 2 401件，中國有效專利 5 021件。

3.1 GaN 半導(dǎo)體材料專利總體情況

從圖 3可見，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，而我國雖然在該領(lǐng)域起步較晚，但中國有效專利數(shù)量在近15年間增長迅速，表明我國在這段時間在本領(lǐng)域的研發(fā)投入較大，目前已具有一定數(shù)量的技術(shù)儲備。

進一步分析P CT專利及我國有效專利的來源，結(jié)果見表 3和表 4?？梢娫贕 aN領(lǐng)域，全球P CT專利主要來自于日本、美國、中國、韓國和歐盟等國家和地區(qū)，其中日本、美國、歐盟在專利數(shù)量上優(yōu)勢明顯。從專利數(shù)量看，前 10申請人均來自于日本和美國，占據(jù)全球P CT專利 26.28%；從申請人類型看，前 10申請人中有 9個為企業(yè)，僅有加州大學(xué)申請人類型為高校，可見PCT專利主要來源于企業(yè)。

從國內(nèi)有效專利上看，當(dāng)前我國有效專利主要來自于廣東、江蘇、北京等省市，67.28%的專利申請人為企業(yè)，33.28%的專利申請人為大專院校和科研單位，而前 10申請人主要為高?；蚩蒲性核?，西安電子科技大學(xué)、華南理工大學(xué)、中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所等機構(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LED照明領(lǐng)域企業(yè)。其中，華燦光電股份有限公司是目前國內(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、激光器和探測器）角度對當(dāng)前我國有效專利進行分析，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G aN單晶襯底，占比達 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 71%，可見半導(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 ；激光器和探測器領(lǐng)域的有效專利數(shù)量雖然在 2014年之后有一定增長，但總體數(shù)量較少。

4 結(jié)語

從論文以及專利的發(fā)表情況來看，隨著 20世紀(jì) 90年代后材料生長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SC I論文數(shù)量方面，我國與美國發(fā)文量相近，遙遙領(lǐng)先其他國家 ；在專利方面，我國與美國、日本、歐盟等發(fā)達地區(qū)仍有較大的差距，PCT專利較為集中地掌握在美國、日本的知名電子電器企業(yè)手中?？傮w而言，我國在GaN半導(dǎo)體材料的研究雖然較發(fā)達國家起步較晚，但是在近年在技術(shù)創(chuàng)新上已經(jīng)有較好的儲備，且在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的技術(shù)較為雄厚。

從研究熱點上看，研究大多針對GaN在LED和HEMT上的應(yīng)用。而工藝方法上，研究人員主要關(guān)注金屬有機化學(xué)氣相沉積、分子束外延、金屬有機氣相外延等材料外延方法和摻雜工藝。此外，GaN納米線由于其錯位密度低等優(yōu)勢，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)域分布來看，專利主要集中在G aN單晶襯底和材料外延環(huán)節(jié) ；從應(yīng)用層面看，國內(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G aN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，有望在未來一段時間迎來快速發(fā)展。

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