氮化镓用途和性质

　　氮化镓用途和性质

　　第三代半导体材料以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化锌（ZnO）、金刚石为代表，是5G时代的主要材料，其中氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）的市场和发展空间最大。

　　氮化镓作为第三代半导体材料，有更高的禁带宽度，是迄今理论上电光、光电转换效率最高的材料体系，下游应用包括微波射频器件(通信基站等)，电力电子器件(电源等)，光电器件(LED照明等)。不过，第三代半导体材料中，受技术与工艺水平限制，氮化镓材料作为衬底实现规模化应用仍面临挑战，其应用主要是以蓝宝石、硅晶片或碳化硅晶片为衬底，通过外延生长氮化镓以制造氮化镓器件。

　　实际上，氮化镓（GaN）技术并不是一种新的半导体技术，自1990年起就已经常被用在发光二极管中，但成本昂贵。从制造工艺上来说，氮化镓没有液态，不能使用单晶硅生产工艺的传统直拉法拉出单晶，需要纯靠气体反应合成，而氮气性质非常稳定，镓又是非常稀有的金属（镓是伴生矿，没有形成集中的镓矿，主要从铝土矿中提炼，成本比较高），而且两者反应时间长，速度慢，反应产生的副产物多。生产氮化镓对设备要求又苛刻，技术复杂，产能极低，众多因素叠加影响导致氮化镓单晶材料很贵。

　　氮化嫁材料的相关应用

　　GaN 基光电器件

　　豆丁

　　GaN 材料系列是·种想的短波长发光器件材料,GaN 及共合金的带隙复盖了从红色到紫外的光谱范围。自从 1991 年日本研制出同质结 Ga 蓝色 LED之后,InGaN/A1GaN 双异质结超亮度蓝色 LED、InGaN 单量子阱 GaNLED 相问出目前,Zcd和6cd单量子阱GaN 蓝色和绿色 LED 已进入大批量生产阶段,从而填补了市场上蓝色 LED 多年的空白。以发光效率为标志的 LED 发展历程见图 3。蓝色发光器件在高密度光盘的信息存取、全光显示、激光打印机等领域有着巨大的应用市场。随着对III族氮化物材料和器件研究与开发工作的不断深入,GaInN 超高度蓝光、绿光 LED 技术已经实现商品化,现在世界各大公司和研究机构都纷纷投入巨资加入到开发蓝光 LED 的竞争行列。

　　1993 年,Nichia 公司首先研制成发光亮度超过 cd 的高亮度 GaInN/A1GaN异质结蓝光LED,使用掺 Zn的GaInN作为有源层,外量子效率达到2.7%,峰值波长450nm,并实现产品的商品化。1995 年,该公司又推出了光输出功率为 2.0mW,亮度为 6cd 商品化GaN绿光 LED 产品,其峰值波长为 525nm,半峰宽为 40nm。最近,该公司利用其蓝光 LED 和磷光技术,又推出了白光固体发光器件产品,其色温为6500K,效率达 7.5 流明/W。除 Nichia 公司以外,HP、Cree 等公司相继推出了各自的高亮度蓝光 LED 产品。高亮度 LED 的市场预计将从 1998 年的 3.86 亿美元跃升为 2003 年的10 亿美元。高亮度 LED 的应用主要包括汽车照明交通信号和室外路标,平板金色显示,高密度 DVD 存储,蓝绿光对潜通信等。

　　在成功开发I族氮化物蓝光 LED 之后,研究的重点开始转向II族氮化物蓝光LED 器件的开发。监光 LED 在光控测和信息的高密度光存储等领域具有广阔的应用前景。口前Nichia 公司在 GaN 蓝光 LED 领域居世界领先地位其 GaN 蓝光 LED室温下 2mW 连续工作的命突破 10000 小时。HP 公司以蓝宝石为衬底,研制成功光脊波导折射率导引GaInN/A1GaN 多量子阱蓝光LED。Cree 公司和 Fujitsu 公司采用 Sic 作为衬底材料,开发II 族氮化物蓝光IED,CreeResearch 公司首家报道了SiC上制作的 CWRT 蓝光激光器,该激光器彩霞的是横向器件结构。富士通继Nichia,CreeResearch 和索尼等公司之后,宣布研制成了 InGaN 蓝光激光器,该激光器可在室温下 CW 应用,其结构是在 SiC 底上生长的,并且采用了垂直传导结构(P 型和 n 型接触分别制作在品片的顶面和背面),这是首次报道的垂直器件结构的 CW 蓝光激光器。在探测器方面,已研制出 GaN 紫外探测器,波长为 369nm,其响应速度与 Si 探测器不相上下。但这方面的研究还处于起步阶段。GaN 探测器将在火焰探测、导弹预警等方面有重要应。

　　氮化嫁材料的前景及展望

　　在未来 10 年里，氮化材料将成为市场增幅最快的半导体材料,到 2006年将达到 30 亿美元的产值,占化合物半导体市场总额的 20%。同时,作为新型光显示、光存储、光照明、光探测器件,可促进上千亿美元相关设备、系统的新产业的形成。根据美国市场调研公司 Strategies Unlimited 的分析数据,2001年世界 GaN 器件市场接近 7 亿美元,还处于发展初期。该公司预测即使最保守发展,2009 年世界 GaN 器件市场将达到48 亿美元的销售额。专家认为,新的 GaN基应用产品的出现和电子器件向光电乃至光子器件升级等因素将使得未来 GaN 市场很有可能呈突变性急剧增长态势。从投资角度看,目前对于 GaN 基 LED 的投资相对较多。但同时有必要给予GaN基功率晶体管和GaN基蓝色激光器以更多关注尽管现阶段其制造技术仍然不成熟,但预计一在村底等关键技术领域取得突破其产业化进程将会取得长足发展。