随着人工智能、高频通讯等领域的发展，第一代半导体锗(Ge)、硅(Si)等已经发展得十分成熟，甚至已逐渐接近物理极限，于是人们纷纷在半导体领域寻找新的机遇，氮化镓作为第三代半导体材料，在一众候选者中脱颖而出。

氮化镓为何可以脱颖而出？

氮化镓属于Ⅲ-Ⅴ族化合物，拥有直接带隙半导体材料的特性。按照化学键的类型不同，氮化镓晶体结构可分为六方纤锌矿和立方闪锌矿结构。在化合物中，主要存在离子键和共价键两种化学键，离子键含量越多，越容易形成纤锌矿结构。由于Ga和N存在较大的电负性差异，更容易形成离子键。因此在常温状态下，GaN往往呈现六方纤锌矿结构，这不仅赋予它热稳定性高、耐腐蚀的特性，还使得其在生长过程中有很高的优选性，有利于形成低缺陷密度的单晶层。

氮化镓晶体结构

而相比第一二代半导体，GaN是一种具有宽带隙的半导体，其带隙宽度为3.4eV，几乎是Si的三倍，需要更高的能量将价电子激发到导带中，这意味着在光电子器件中，氮化镓可以发射和吸收较高能量的光。除此之外，其导带底在Γ点，而且与导带的其他能谷之间能量差大，不易产生谷间散射，能得到很高的强场漂移速度。因此，氮化镓器件可以承受更大的电场强度，具有良好的热稳定性，在高电压、高电流、高频率、高温场景下都能保持优异的性能。

氮化镓的应用价值有多大？

基于上述优异特性，目前氮化镓在射频电子领域、功率器件、光电子、传感器等领域都有着极大的应用价值。

1.射频应用

与Si、GaAS相比，氮化镓器件在高功率、高频率和宽带应用中具有明显优势，迄今为止100GHz范围内最为理想的微波功率器件，因此其在射频（RF）应用中发挥着重要作用，尤其在无线通信、雷达和电子战等领域。比如在无线通信领域，传统的硅基射频功率放大器在高频率和高功率应用中存在功率损耗大、效率低等问题，已无法满足需求5G和6G等新一代无线通信技术的要求，而若采用氮化镓在射频前端模块中替代硅半导体，可显著提高无线通信的速率和容量。

600W氮化镓射频功率放大器（来源：能讯半导体）

2.功率器件

电子电力器件离不开半导体材料的发展。基于Si材料的电子器件性能目前逐渐趋于极限，迫切需要更优异的电子器件，氮化镓晶体管凭借较好的介电常数、优异的电子迁移率、高的临界电场、耐高温的优点，开始成为Si功率器件的潜在替代品。比如，随着氮化镓工艺技术的成熟，许多企业纷纷将它应用于“快充”充电器上，逐步代替传统的充电器，不仅可以在相同的功率条件下，实现更小的体积，更快的充电速度，而且其能效转换率超过90%，远高于传统硅基充电器。此外，GaN的高热导率有助于充电器内部热量快速散出，降低工作温度，提高设备稳定性与使用寿命。

华为推出的氮化镓快充充电器

3.光电子领域

自从1991年日本研制出同质结GaN蓝光LED之后，GaN已是现今半导体照明中蓝光发光二极管的核心材料。目前，GaN光电器件产品主要包括Mini-LED和Micro-LED。与传统LED相比，MicroLED芯片量级更小，而且还具有自发光、低功耗、高亮度、超高分辨率、高色彩饱和度的优点，高清显示性能更好，可以应用于超大屏高清智能电视、消费电子显示屏，以及手机、电脑等消费电子背光应用，VR/AR等多个领域。

氮化镓光电集成器件（来源：南方科技大学新闻网）

4.传感器

传感器能够检测到周边信号，并将其转换为可处理的输出信号，被广泛应用于工业，医学、航空等领域。而氮化镓凭借优异的性能在温度传感器、红外线传感器、压力传感器中都有广泛应用。

（1）温度传感器：

相比于其他传感器，半导体传感器具有更小的体积，灵敏度高、功耗低以及抗干扰能力，更适用于在IC集成电路中使用，但以Si基或SiC基的半导体传感器因其材料特性，无法在高温环境下工作，而GaN基的功率二极管器件能在高温、高压、高辐射的环境下工作，更好的满足温度传感器的需求。

（2）压力传感器：

美国国家航空航天局利用GaN的耐高温、耐腐蚀、抗辐射性质，制造出应用于宇宙飞船上的GaN/AlGaN基压力传感器。其工作原理是：在AlGaN/GaN异质结构中发生的二维电子气（2DEG）效应来设计在器件中对机械应变电敏感的传感器。

（3）紫外传感器：

基于氮化镓材料的紫外传感器是一种具有良好紫外线选择性的光电二极管，其对紫外线波段的响应信号很大，而对可见光（光波长范围为390-750nm）的响应信号很小，因此其受紫外线照射后会产生一定的电压输出信号，并且输出电压信号与紫外线照射强度成递增关系。目前紫外传感器在军事以及医学如癌症早期探测等领域都获得了应用。

氮化镓紫外传感器（来源：镓敏光电）

小结

相比第一二代半导体材料，氮化镓能满足下一代电子装备对功率器件更大功率、更高频率、更小体积和更恶劣条件（更高温度）下工作的要求，成为第三代半导体材料的代表，目前被广泛应用于功率器件、射频、光电子、传感器等领域中。不过由于衬底与薄膜晶格的相配性，氮化镓主要生长在碳化硅上，但目前碳化硅晶圆尚无法突破6英寸晶圆的大小，价格较高，要想氮化镓器件的产能提升，未来还需要进一步寻找成本更低、良率更高的生产方法。

参考文献：

1、朱曦,黎晓华,贺威,等.第三代半导体氮化镓材料单晶制备技术及应用前景[J].广东化工.

2、郭方金.毫米波氮化镓功放芯片及其工程化应用[D].电子科技大学.

3、李尚雯，华尚光电，《半导体紫外线传感器使用方案》

4、刘义鹤，江洪.新材料产业.《氮化镓材料在传感器中的应用》

5、芯片半导体实验室，《氮化镓（GaN）行业简析》

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