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氮化镓半导体材料研究与应用现状

2021-10-29余伟业

新材料产业 2021年5期
关键词:氮化激光器外延

余伟业

电力电子、新能源、电动汽车、5G通讯、高速轨道列车、能源互联网和智能工业等领域的兴起,对功率器件的性能提出了越来越高的要求。但传统硅(Si)器件已达到材料的物理极限,无法满足当前应用场景的需求。作为第3代半导体材料的典型代表,氮化镓(GaN)在1928年由Johason等人首次成功制备,在一个大气压下,其晶体一般呈六方纤锌矿结构,其化学性质稳定,具有宽带隙(3.39eV)、高击穿电压(3×106V/cm)、高电子迁移率(25℃,1000cm2/V·s)、高异质结面电荷密度(1×1013cm-2)等诸多良好的电化学特性,相对于第1代半导体材料Si和第2代半导体材料砷化镓(GaAs)器件而言,GaN器件可以在更高频率、更高功率、更高温度的情况下工作[1-3],因而被认为是制备高温、高频、大功率器件的首选材料之一。当前,Si基半导体产业正面临投资回报率递减,GaN凭借其优异性能,有望促进半导体行业新的增长[4]。

基于GaN的重要战略意义,世界各国相继出台措施,推进其材料的研究与应用。美国早在20世纪80年代已经开始部署第3代半导体相关的研发与应用,21世纪初,美国国防部先进项目研究局(DARPA)先后启动了“宽禁带半导体技术计划”(Wide Bandgap Semiconductor Technology Initiative,WBGSTI)和“氮化物电子下一代技术计划”(Nitride Electronic NeXt-Generation Technology Program,NEXT),旨在布局毫米波GaN射频器件和提升GaN器件制造工艺,积极推动GaN宽禁带半导体技术的发展。美国的一系列战略部署引发了全球范围内的激烈竞争,欧洲、日本、韩国等也相继开展了相關研究。欧盟委员会下属的欧洲防务局(EDA)主导开展了“可制造的基于SiC衬底的GaN器件和GaN外延层晶圆供应链(Manufacturable GaN—SiC—Substrates And GaN Epitaxial Wafer Supply Chain,MANGA)”计划,旨在联合德国、法国、英国等,强化欧洲的GaN外延片和SiC衬底的区域内部供应能力。日本则通过“移动通讯和传感器领域半导体器件应用开发”“GaN半导体低功耗高频器件开发”等计划推动第3代半导体在未来通信系统中的应用。韩国制定了“GaN半导体开发计划”,在2004—2008年间,政府和企业共计投入12.08亿美元,推动韩国光电子产业发展。经过多年的发展,发达国家在GaN半导体材料、器件及系统的研究上取得了丰硕的成果,实现了从国防到民用领域的广泛应用。

本文归纳总结公开资料,梳理GaN半导体材料的应用概况,结合文献计量和专利分析,进一步研究国内外GaN半导体材料的技术研发态势。

1 GaN半导体材料应用概况

当前,GaN半导体材料的应用领域主要有半导体照明、电力电子器件、激光器与探测器等。此外,在太阳能电池、生物传感器等新兴领域亦有应用,但是目前仍处于实验室研发阶段。

1.1 半导体照明

半导体照明行业是GaN当前主流应用领域中发展最为迅速的,产业规模超百亿美元。从材料体系划分上看,半导体照明行业主要用到蓝宝石基氮化镓(GaN—on—Sapphire)、SiC基氮化镓(GaN—on—SiC)和Si基氮化镓(GaN—on—Si)3种材料体系,分别对应不同的产品应用。其中,最成熟的是GaN—on—Sapphire体系,应用于大部分LED照明。GaN—on—SiC散热效果较好,适用于低能耗、大功率的照明器件,但是较高的制造成本制约了其进一步推广与运用。GaN—on—Si具有较大的成本优势,提高散热表现,因此GaN—on—Si LED技术也是业界一直关注的方向[4-5]。

1.2 电力电子器件

GaN在电力电子领域的应用仍处于起步阶段,市场规模仅为数亿美元。其应用主要集中在军事通讯、电子干扰、雷达等军用领域。在民用领域,主要应用于通讯基站、功率器件等领域。从材料体系上看,GaN—on—Si器件主要的应用于笔记本、高性能服务器、基站的开关电源等200~1 200V的中低压领域;而GaN—on—SiC则集中在大于1 200V的高压领域,如太阳能发电、新能源汽车、高铁运输、智能电网的逆变器等器件。作为实现5G的关键材料,GaN器件的市场份额有望在5G时代迎来较快增长。此外,GaN充电器具有体积小、质量轻、转换效率高、发热低、安全性强等优点,并随着全球智能设备销售量的快速增长,将带动GaN充电器快速占领快充市场[6]。

1.3 激光器和探测器

在激光器和探测器应用领域,GaN基激光器的频谱覆盖范围广,可实现蓝、绿、紫外激光器和紫外探测的制造。紫色激光器可用于制造数据存储盘空间比蓝光光盘高出20倍的大容量光盘。除此之外,紫色激光器还可用于医疗消毒、紫外固化、荧光激励光源等应用。蓝色激光器可以和现有的红色激光器、倍频全固化绿色激光器一起,实现全真彩显示,进一步推进激光电视的应用。GaN基紫外探测器在抗干扰、抗恶劣环境、高灵敏度方面具有得天独厚的优势,可用于高速飞行物预警、核辐射监测、化学生物探测等领域,但离产业化仍有一定距离[8,9]。

2 基于文献计量的GaN半导体材料研发态势分析

在科学网(Web of Science)中的科学引文索引扩展板(SCI—Expand)数据库对GaN半导体材料相关论文进行检索,共检索到相关论文54 007篇。

对1990—2020年间氮化镓半导体材料SCI论文的发文量进行分析(图1所示),可见从1990—2020年间,GaN半导体材料的年度发文量逐年上升。其中,在1993—1999年间和2018—2020年间,发文量增速较快,到2020年,相关研究论文数量达3 314篇。年度发文量的持续上升,表明GaN持续受到较高的关注。

分析论文通讯地址所在国家和地区,并根据发文量进行排序,结果如图2所示。从发文国家和地区上看,美国、中国、日本、韩国和我国台湾地区发文量排名前5,其中中国和美国的发文量相近,约一万篇,领先排名第3的日本较多。可见我国在GaN半导体材料领域的研究虽然较发达国家/地区晚,但目前在GaN半导体材料领域的基础研究已具有较多技术储备。

进一步对相关论文的发文通讯单位进行分析,前10名如表1所示。中国大陆3所机构发文量进入全球前10,分别为中国科学院、北京大学、西安电子科技大学,其中以中国科学院为通讯机构的文章主要来自中科院半导体研究所;我国台湾地区成功大学、台湾交通大学发文量分别排名第3和第4;国外加州圣巴巴拉分校、俄罗斯科学院、韩国全北国立大学等高校或科研院所发文较多。

对相关论文的关键词进行分析,如表2所示。在制备方法上,金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(Molecular beam epitaxy)和金属有机气相外延(MOVPE)等关键词出现频次较高,表明外延工艺是研究人员的主要关注点;在应用方面,LED和高电子迁移率晶体管(HEMT)出现频次较高;此外,GaN纳米线、缺陷、掺杂也是研究人员关注的热点。

3 专利视角下的GaN半导体材料应用现状分析

在Incopat专利分析平台对GaN半导体材料相关专利进行检索和分析,从专利分布的角度了解当前块体纳米晶金属材料的应用现状及前景。截至检索日期,共检索到PCT专利2 401件,中国有效专利5 021件。

3.1 GaN半导体材料专利总体情况

从图3可见,2000—2019年间,全球GaN半导体材料领域的PCT专利数量呈缓慢上升,而我国虽然在该领域起步较晚,但中国有效专利数量在近15年间增长迅速,表明我国在这段时间在本领域的研发投入较大,目前已具有一定数量的技术储备。

进一步分析PCT专利及我国有效专利的来源,结果见表3和表4。可见在GaN领域,全球PCT专利主要來自于日本、美国、中国、韩国和欧盟等国家和地区,其中日本、美国、欧盟在专利数量上优势明显。从专利数量看,前10申请人均来自于日本和美国,占据全球PCT专利26.28%;从申请人类型看,前10申请人中有9个为企业,仅有加州大学申请人类型为高校,可见PCT专利主要来源于企业。

从国内有效专利上看,当前我国有效专利主要来自于广东、江苏、北京等省市,67.28%的专利申请人为企业,33.28%的专利申请人为大专院校和科研单位,而前10申请人主要为高校或科研院所,西安电子科技大学、华南理工大学、中国科学院半导体研究所等机构有效专利数量排名前列。华灿光电股份有限公司、湘能华磊光电股份有限公司2家企业分别排名第1和第3,这2家企业均为LED照明领域企业。其中,华灿光电股份有限公司是目前国内第2大LED芯片供应商;湘能华磊光电股份有限公司是湖南省唯一1家LED外延、芯片、应用产品全产业链企业,目前已形成了年产GaN基外延片和芯片600万片的生产能力,公司外延片和芯片生产规模位居全国前列。

3.2 产业链与应用视角的GaN专利分布情况

从产业链(单晶衬底→材料外延→器件设计与制造)和应用(半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器)角度对当前我国有效专利进行分析,结果如图4和图5所示。

从产业链视角看,专利主要集中在GaN单晶衬底,占比达44%;其次是材料外延,占比31%。从应用层面看,专利大部分集中在半导体照明领域,占比达71%,可见半导体照明仍然是当前GaN半导体材料的主要应用领域,并且有效专利数量在2007—2016年间增长迅速;电力电子器件领域的有效专利数量在2013年之后,较之前有较快的增长;激光器和探测器领域的有效专利数量虽然在2014年之后有一定增长,但总体数量较少。

4 结语

从论文以及专利的发表情况来看,随着20世纪90年代后材料生长和器件工艺水平的不断发展和完善,GaN半导体材料的相关研究发展迅速。在SCI论文数量方面,我国与美国发文量相近,遥遥领先其他国家;在专利方面,我国与美国、日本、欧盟等发达地区仍有较大的差距,PCT专利较为集中地掌握在美国、日本的知名电子电器企业手中。总体而言,我国在GaN半导体材料的研究虽然较发达国家起步较晚,但是在近年在技术创新上已经有较好的储备,且在基础研究领域的技术较为雄厚。

从研究热点上看,研究大多针对GaN在LED和HEMT上的应用。而工艺方法上,研究人员主要关注金属有机化学气相沉积、分子束外延、金属有机气相外延等材料外延方法和掺杂工艺。此外,GaN纳米线由于其错位密度低等优势[10],可以大大提高其制备器件的性能,也备受关注。

从产业链及下游的应用领域分布来看,专利主要集中在GaN单晶衬底和材料外延环节;从应用层面看,国内有效专利主要集中在半导体照明领域,表明半导体照明是当前GaN半导体材料的主要应用领域;而电力电子器件领域有效专利数量在近年有较快增长,有望在未来一段时间迎来快速发展。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.05.006

参考文献

[1] “先进半导体材料及辅助材料”编写组.中国先进半导体材料及辅助材料发展战略研究[J].中国工程科学,2020,22(05):10—19.

[2] 谢欣荣.第三代半导体材料氮化镓(GaN)研究进展[J].广东化工,2020,47(18):92—93.

[3] 盛蔡茂.氮化镓GaN的特性及其应用现状与发展[J].科学技术创新,2018(31):48—49.

[4] The 2018 GaN power electronics roadmap[J].Journal of Physics D Applied Physics,2018,51(16):163001.

[5] 李建飞.GaN基HEMT和LED结构的光电特性研究[D].济南:山东大学,2018.

[6] 冯晨,曾开文,孙浩,等.氮化镓半导体材料通信电源应用[J].电信工程技术与标准化,2021,34(7):20—23.

[7] 卢俊诚,陈迪.氮化镓器件在大功率电力电子系统中的应用[J].电力电子技术,2017,51(9):1—2.

[8] 袁明文.氮化镓在光电子和微电子器件中的应用[J].半导体技术,2001(6):16—19,39.

[9] 杨文献.用于紫外发光器件的AlGaN材料的生长及物性研究[D].合肥:中国科学技术大学,2019.

[10] 明帮铭.低维氮化镓纳米线结构调控及性能预测[D].北京:北京工业大学,2019.

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