GaN材料的研究與應用是目前全球半導體研究的前沿和熱點，是研制微電子器件、光電子器件的新型半導體材料，并與SIC、金剛石等半導體材料一起，被譽為是繼第一代Ge、Si半導體材料、第二代GaAs、InP化合物半導體材料之后的第三代半導體材料。它具有寬的直接帶隙、強的原子鍵、高的熱導率、化學穩定性好（幾乎不被任何酸腐蝕）等性質和強的抗輻照能力，在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應用方面有著廣闊的前景。

　　氮化鎵（GAN）是第三代半導體材料的典型代表，在T=300K時為，是半導體照明中發光二極管的核心組成部份。氮化鎵是一種人造材料，自然形成氮化鎵的條件極為苛刻，需要2000多度的高溫和近萬個大氣壓的條件才能用金屬鎵和氮氣合成為氮化鎵，在自然界是不可能實現的。

 

　　大家都知道，第一代半導體材料是硅，主要解決數據運算、存儲的問題；第二代半導體是以砷化鎵為代表，它被應用到于光纖通訊，主要解決數據傳輸的問題；第三代半導體則就是以氮化鎵為代表，它在電和光的轉化方面性能突出，在微波信號傳輸方面的效率更高，所以可以被廣泛應用到照明、顯示、通訊等各大領域。1998年，美國科學家研制出了首個氮化鎵晶體管。

 

 

　　高性能：主要包括高輸出功率、高功率密度、高工作帶寬、高效率、體積小、重量輕等。目前第一代和第二代半導體材料在輸出功率方面已經達到了極限，而GaN半導體由于在熱穩定性能方面的優勢，很容易就實現高工作脈寬和高工作比，將天線單元級的發射功率提高10倍。

 

　　高可靠性：功率器件的壽命與其溫度密切相關，溫結越高，壽命越低。GaN材料具有高溫結和高熱傳導率等特性，極大的提高了器件在不同溫度下的適應性和可靠性。GaN器件可以用在650°C以上的軍用裝備中。

 

　　低成本：GaN半導體的應用，能夠有效改善發射天線的設計，減少發射組件的數目和放大器的級數等，有效降低成本。目前GaN已經開始取代GaAs作為新型雷達和干擾機的T/R（收/發）模塊電子器件材料。美軍下一代的AMDR（固態有源相控陣雷達）便采用了GaN半導體。氮化鎵禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導率大、電子飽和漂移速度高、抗輻射能力強和良好的化學穩定性等優越性質，使得它成為迄今理論上電光、光電轉換效率最高的材料體系，并可以成為制備寬波譜、高功率、高效率的微電子、電力電子、光電子等器件的關鍵基礎材料。

 

　　GaN較寬的禁帶寬度(3.4eV) 及藍寶石等材料作襯底，散熱性能好，有利于器件在大功率條件下工作。隨著對Ⅲ族氮化物材料和器件研究與開發工作的不斷深入，GaInN超高度藍光、綠光LED技術已經實現商品化，現在世界各大公司和研究機構都紛紛投入巨資加入到開發藍光LED的競爭行列。

 

　　氮化鎵的應用

 

　　GaN材料系列具有低的熱產生率和高的擊穿電場，是研制高溫大功率電子器件和高頻微波器件的重要材料。目前，隨著 MBE技術在GaN材料應用中的進展和關鍵薄膜生長技術的突破，成功地生長出了GaN多種異質結構。用GaN材料制備出了金屬場效應晶體管（MESFET）、異質結場效應晶體管(HFET)、調制摻雜場效應晶體管（MODFET）等新型器件。調制摻雜的AlGaN/GaN結構具有高的電子遷移率(2000cm2/v·s)、高的飽和速度(1×107cm/s)、較低的介電常數，是制作微波器件的優先材料；GaN較寬的禁帶寬度(3.4eV) 及藍寶石等材料作襯底，散熱性能好，有利于器件在大功率條件下工作。

 

　　光電器件

 

　　GaN材料系列是一種理想的短波長發光器件材料，GaN及其合金的帶隙覆蓋了從紅色到紫外的光譜范圍。自從1991年日本研制出同質結GaN藍色 LED之后，InGaN/AlGaN雙異質結超亮度藍色LED、InGaN單量子阱GaNLED相繼問世。目前，Zcd和6cd單量子阱GaN藍色和綠色 LED已進入大批量生產階段，從而填補了市場上藍色LED多年的空白。以發光

 

　　效率為標志的LED發展歷程見圖3。藍色發光器件在高密度光盤的信息存取、全光顯示、激光打印機等領域有著巨大的應用市場。隨著對Ⅲ族氮化物材料和器件研究與開發工作的不斷深入，GaInN超高度藍光、綠光LED技術已經實現商品化，現在世界各大公司和研究機構都紛紛投入巨資加入到開發藍光LED的競爭行列。

 

　　1993年，Nichia公司首先研制成發光亮度超過lcd的高亮度GaInN/AlGaN異質結藍光LED，使用摻Zn的GaInN作為有源層，外量子效率達到2.7%，峰值波長450nm，并實現產品的商品化。1995年，該公司又推出了光輸出功率為2.0mW，亮度為6cd商品化GaN綠光 LED產品，其峰值波長為525nm，半峰寬為40nm。最近，該公司利用其藍光LED和磷光技術，又推出了白光固體發光器件產品，其色溫為6500K，效率達7.5流明/W。除Nichia公司以外，HP、Cree等公司相繼推出了各自的高亮度藍光LED產品。高亮度LED的市場預計將從1998年的 3.86億美元躍升為2003年的10億美元。高亮度LED的應用主要包括汽車照明，交通信號和室外路標，平板金色顯示，高密度DVD存儲，藍綠光對潛通信等。

 

　　在成功開發Ⅲ族氮化物藍光LED之后，研究的重點開始轉向Ⅲ族氮化物藍光LED器件的開發。藍光LED在光控測和信息的高密度光存儲等領域具有廣闊的應用前景。目前Nichia公司在GaN藍光LED領域居世界領先地位，其GaN藍光LED室溫下2mW連續工作的壽命突破10000小時。HP公司以藍寶石為襯底，研制成功光脊波導折射率導引GaInN/AlGaN多量子阱藍光LED。CreeResearch公司首家報道了SiC上制作的CWRT藍光激光器，該激光器彩霞的是橫向器件結構。富士通繼Nichia，CreeResearch和索尼等公司之后，宣布研制成了InGaN藍光激光器，該激光器可在室溫下CW應用，其結構是在SiC襯底上生長的，并且采用了垂直傳導結構（P型和n型接觸分別制作在晶片的頂面和背面），這是首次報道的垂直器件結構的CW藍光激光器。

 

　　在探測器方面，已研制出GaN紫外探測器，波長為369nm，其響應速度與Si探測器不相上下。但這方面的研究還處于起步階段。GaN探測器將在火焰探測、導彈預警等方面有重要應用。

 

　　氮化鎵的未來發展

 

　　GaN寬禁帶電力電子器件代表著電力電子器件領域發展方向，材料和工藝都存在許多問題有待解決，即使這些問題都得到解決，它們的價格肯定還是比硅基貴。預計到2019年，硅基GaN的價格可能下降到可與硅材料相比擬的水平。由于它們的優異特性可能主要用于中高端應用，與硅全控器件不可能全部取代硅半控器件一樣，SiC和GaN寬禁帶電力電子器件在將來也不太可能全面取代硅功率MOSFET、IGBT和GTO(包括IGCT)。SiC電力電子器件將主要用于1200V以上的高壓工業應用領域；GaN電力電子器件將主要用于900V以下的消費電子、計算機/服務器電源應用領域。

 

　　GaN作為第三代半導體材料，其性質決定了將更適合4G乃至未來5G等技術的應用。從現在的市場狀況來看，GaAs仍然是手機終端PA和LNA等的主流，而LDMOS則處于基站RF的霸主地位。但是，伴隨著Si材料和GaAs材料在性能上逐步達到極限，我們預計GaN半導體將會越來越多的應用在無線通信領域中。（整理自電源網，百度）