氮化镓的材料应用

1. 氮化镓的材料应用

 GaN材料系列是一种理想的短波长发光器件材料，GaN及其合金的带隙覆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GaN蓝色 LED之后，InGaN/AlGaN双异质结超亮度蓝色LED、InGaN单量子阱GaNLED相继问世。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lcd的高亮度GaInN/AlGaN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Ⅲ族氮化物蓝光LED之后，研究的重点开始转向Ⅲ族氮化物蓝光LED器件的开发。蓝光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。目前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连续工作的寿命突破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/AlGaN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Ⅲ 族氮化物蓝光LED，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衬底上生长的，并且采用了垂直传导结构（P型和n型接触分别制作在晶片的顶面和背面），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用。 对于GaN材料，长期以来由于衬底单晶没有解决，异质外延缺陷密度相当高，但是器件水平已可实用化。1994年日亚化学所制成1200mcd的 LED，1995年又制成Zcd蓝光（450nmLED），绿光12cd(520nmLED);日本1998年制定一个采用宽禁带氮化物材料开发LED的 7年规划，其目标是到2005年研制密封在荧光管内、并能发出白色光的高能量紫外光LED，这种白色LED的功耗仅为白炽灯的1/8，是荧光灯的1/2, 其寿命是传统荧光灯的50倍～100倍。这证明GaN材料的研制工作已取相当成功，并进入了实用化阶段。InGaN系合金的生成，InGaN/AlGaN 双质结LED，InGaN单量子阱LED，InGaN多量子阱LED等相继开发成功。InGaNSQWLED6cd高亮度纯绿茶色、2cd高亮度蓝色 LED已制作出来，今后，与AlGaP、AlGaAs系红色LED组合形成亮亮度全色显示就可实现。这样三原色混成的白色光光源也打开新的应用领域,以高可靠、长寿命LED为特征的时代就会到来。日光灯和电灯泡都将会被LED所替代。LED将成为主导产品，GaN晶体管也将随材料生长和器件工艺的发展而迅猛发展，成为新一代高温度频大功率器件。

2. 氮化镓的应用方面有哪些？

3. 氮化镓是金属材料吗？

氮化镓（GAN)是什么？
氮化镓（GAN）是第三代半导体材料的典型代表，在T=300K时为，是半导体照明中发光二极管的核心组成部份。氮化镓是一种人造材料，自然形成氮化镓的条件极为苛刻，需要2000多度的高温和近万个大气压的条件才能用金属镓和氮气合成为氮化镓 ，在自然界是不可能实现的。
大家都知道，第一代半导体材料是硅，主要解决数据运算、存储的问题；第二代半导体是以砷化镓为代表，它被应用到于光纤通讯，主要解决数据传输的问题；第三代半导体则就是以氮化镓为代表，它在电和光的转化方面性能突出，在微波信号传 输方面的效率更高，所以可以被广泛应用到照明、显示、通讯等各大领域。1998年，美国科学家研制出了首个氮化镓晶体管。
氮化镓（GAN)的性能特点
高性能：主要包括高输出功率、高功率密度、高工作带宽、高效率、体积小、重量轻等。目前第一代和第二代半导体材料在输出功率方面已经达到了极限，而GaN半导体由于在热稳定性能方面的优势，很容易就实现高工作脉宽和高工作比，将天线单 元级的发射功率提高10倍。
高可靠性：功率器件的寿命与其温度密切相关，温结越高，寿命越低。GaN材料具有高温结和高热传导率等特性，极大的提高了器件在不同温度下的适应性和可靠性。GaN器件可以用在650°C以上的军用装备中。
低成本：GaN半导体的应用，能够有效改善发射天线的设计，减少发射组件的数目和放大器的级数等，有效降低成本。目前GaN已经开始取代GaAs作为新型雷达和干扰机的T/R（收/发）模块电子器件材料。美军下一代的AMDR（固态有源相控阵雷达） 便采用了GaN半导体。氮化镓禁带宽度大、击穿电压高、热导率大、电子饱和漂移速度高、抗辐射能力强和良好的化学稳定性等优越性质，使得它成为迄今理论上电光、光电转换效率最高的材料体系，并可以成为制备宽波谱、高功率、高效率的微电 子、电力电子、光电子等器件的关键基础材料。
GaN较宽的禁带宽度(3.4eV) 及蓝宝石等材料作衬底，散热性能好，有利于器件在大功率条件下工作。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。
氮化镓的应用
氮化镓作为半导体发光二极管应用于LED照明也已经在中国发展得风起云涌。目前市场上大规模应用于LED照明的氮化镓芯片距离氮化镓真正的“神奇能量”还相距甚远。GaN半导体可以使得汽车、消费电子、电网、高铁等产业系统所使用的各类电机、 逆变器、AC/DC转换器等变得更加节能、高效。GaN用在大功率器件中可以降低自身功耗的同时提高系统其它部件的能效，节能20%-90%。
氮化镓的未来发展
GaN宽禁带电力电子器件代表着电力电子器件领域发展方向，材料和工艺都存在许多问题有待解决，即使这些问题都得到解决，它们的价格肯定还是比硅基贵。预计到2019年，硅基GaN的价格可能下降到可与硅材料相比拟的水平。由于它们的优异特 性可能主要用于中高端应用，与硅全控器件不可能全部取代硅半控器件一样，SiC和GaN宽禁带电力电子器件在将来也不太可能全面取代硅功率MOSFET、IGBT和GTO(包括IGCT)。SiC电力电子器件将主要用于1200V以上的高压工业应用领域；GaN电力电 子器件将主要用于900V以下的消费电子、计算机/服务器电源应用领域。
GaN作为第三代半导体材料，其性质决定了将更适合4G乃至未来5G等技术的应用。从现在的市场状况来看，GaAs仍然是手机终端PA和LNA等的主流，而LDMOS则处于基站RF的霸主地位。但是，伴随着Si材料和GaAs材料在性能上逐步达到极限，我们预计 GaN半导体将会越来越多的应用在无线通信领域中。

4. 氮化镓的优点与长处

①禁带宽度大（3.4eV），热导率高（1.3W/cm-K），则工作温度高，击穿电压高，抗辐射能力强；②导带底在Γ点，而且与导带的其他能谷之间能量差大，则不易产生谷间散射，从而能得到很高的强场漂移速度（电子漂移速度不易饱和）；③GaN易与AlN、InN等构成混晶，能制成各种异质结构，已经得到了低温下迁移率达到105cm2/Vs的2-DEG（因为2-DEG面密度较高，有效地屏蔽了光学声子散射、电离杂质散射和压电散射等因素）；④晶格对称性比较低（为六方纤锌矿结构或四方亚稳的闪锌矿结构），具有很强的压电性（非中心对称所致）和铁电性（沿六方c轴自发极化）：在异质结界面附近产生很强的压电极化（极化电场达2MV/cm）和自发极化（极化电场达3MV/cm），感生出极高密度的界面电荷，强烈调制了异质结的能带结构，加强了对2-DEG的二维空间限制，从而提高了2-DEG的面密度（在AlGaN/GaN异质结中可达到1013/cm2，这比AlGaAs/GaAs异质结中的高一个数量级），这对器件工作很有意义。总之，从整体来看，GaN的优点弥补了其缺点，特别是通过异质结的作用，其有效输运性能并不亚于GaAs，而制作微波功率器件的效果（微波输出功率密度上）还往往要远优于现有的一切半导体材料。

5. 氮化镓的材料特性

 GaN的电学特性是影响器件的主要因素。未有意掺杂的GaN在各种情况下都呈n型,最好的样品的电子浓度约为4×1016/cm3。一般情况下所制备的P型样品，都是高补偿的。很多研究小组都从事过这方面的研究工作，其中中村报道了GaN最高迁移率数据在室温和液氮温度下分别为μn=600cm2/v·s和μn= 1500cm2/v·s，相应的载流子浓度为n=4×1016/cm3和n=8×1015/cm3。近年报道的MOCVD沉积GaN层的电子浓度数值为4 ×1016/cm3、<1016/cm3；等离子激活MBE的结果为8×103/cm3、<1017/cm3。未掺杂载流子浓度可控制在1014～1020/cm3范围。另外，通过P型掺杂工艺和Mg的低能电子束辐照或热退火处理，已能将掺杂浓度控制在1011～1020/cm3范围。 人们关注的GaN的特性，旨在它在蓝光和紫光发射器件上的应用。Maruska和Tietjen首先精确地测量了GaN直接隙能量为3.39eV。几个小组研究了GaN带隙与温度的依赖关系，Pankove等人估算了一个带隙温度系数的经验公式：dE/dT=－6.0×10－4eV/k。 Monemar测定了基本的带隙为3.503eV±0.0005eV，在1.6kT为Eg=3.503+（5.08×10－4T2)/(T－996) eV。另外，还有不少人研究GaN的光学特性。

6. 氮化镓是合金吗

   
                 氮化镓不是合金。合金是单质的混合物，而氮化镓是化合物，不属于合金。
  氮化镓是氮和镓的化合物，是一种直接能隙的半导体，自1990年起常用在发光二极管中。此化合物结构类似纤锌矿，硬度很高。氮化镓的能隙很宽，为3.4电子伏特，可以用在高功率、高速的光电元件中，例如氮化镓可以用在紫光的激光二极管，可以在不使用非线性半导体泵浦固体激光器的条件下，产生紫光激光。
                                                        氮化镓： 
  2014年，日本名古屋大学和名城大学教授赤崎勇、名古屋大学教授天野浩和美国加州大学圣塔芭芭拉分校教授中村修二因发明蓝光LED而获的当年的诺贝尔物理奖。
  氮化镓材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点，是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，并与SIC、金刚石等半导体材料一起，被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好（几乎不被任何酸腐蚀）等性质和强的抗辐照能力，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。

7. “神奇材料”氮化镓 或将开启IT产业新时代

 
    核心观点 
    产业发展包括三个周期：技术突破红利期、应用实现扩张期和同质竞争普及期。随着技术普及化和应用层面红利开发殆尽，IT产业已经进入同质化竞争的阶段。氮化镓作为一种应用面广泛的“神奇材料”，或将开启IT产业新时代。 
    技术突破引领产业新周期 
   产业发展周期一般包括三个阶段。
   第一阶段由技术突破开始。这里所说的技术是广义的概念，包括 科技 、材料、生产工艺等的进步和迭代。技术的突破，意味着原来无法满足的需求可以变成现实，或者以更高效、低成本的方式替代既有的方法来满足需求。在这一阶段，谁拥有“核心 科技 ”就能领先市场。当然，技术突破需要大量的研发投入和可行性实验，一旦方向出错可能导致企业之前的积累化为乌有。
   相对安全的是第二个阶段，当新技术已经被验明能够创造新需求（或者提高效率），基于新技术和用户使用场景开发出应用（不仅是APP）就成为主要的扩张模式。无论是早年的Wintel联盟，还是开创移动互联网的苹果公司，都是这一阶段收获最多的公司。
   到了第三阶段，技术成熟、场景相对固定，拥有成本优势、营销能力和销售能力的公司将成为主流。这一阶段的竞争也更加激励，消费者可以用最低的价格买到产品和服务，甚至享受到“免费的午餐”。而作为供给端的企业，只能在外观、颜色、尺寸、形状等维度进行微创新，激发用户潜在的非刚性需求了。
   至此，产业要想继续发展，需要新一轮技术突破来驱动。而此时市场也呼唤新技术早日成熟，以便为用户创造更多的价值。
    IT产业面临瓶颈 
   2007年，在信息技术（特别是移动信息技术）积累到即将突破时，苹果开创了全新的模式，无论是人机交互、APP，或者APP Store生态，都给用户带来了全新的体验和无限的惊喜。直到2014年iPhone 6和iPhone 6 Plus的出现，将之前IT产业积累的技术红利完全释放。期间，海量用户从PC转移到手机，通讯从2G进入到4G，内容服务从门户到分发……作为用户，在这一期间的感觉是生活欣欣向荣，充满了刺激感和新鲜感。
   而此后的五年（2014-2019），随着技术普及，应用层面红利开发殆尽，产业进步的发展速度也慢了下来。企业和用户都感觉好像是下了高铁上了公交，内心充满了焦灼的感觉，期盼产业能够更加快速的迭代。
    氮化镓或开启IT产业“新风口” 
   IT产业的发展方向有两个维度，一是速度越来越快，二是成本越来越低。下一次技术突破，将在这两个方向同时取得进步，释放巨大的技术红利，形成新的风口。
   新风口源自一种第三代半导体材料——氮化镓（GaN）。这种“神奇材料”由于其自身具备的材料特性，可广泛应用于芯片制造、通讯、快速充电、无线充电、激光雷达（自动驾驶）以及制作Micro LED显示屏等多个方面。
   在芯片领域，最新一代的氮化镓芯片，能够以传统芯片一半的体积，实现三倍的性能。
   在通讯领域，为了实现更快的速度和更宽的带宽，通讯频段不断向高频迁移，氮化镓器件能够提供高频通讯网络所需要的功率和效能，并以更小的体积、更快的开关速度、更好的散热能力、更高的温度耐受力、更低的能耗成为新一代通讯器件的基础性材料。
   在充电领域，氮化镓拥有远快于现代产品的开关速率，并且在高速开关的情况下保持高效率水平，可以将充电器的体积减少一半以上，而且发热量极大的降低。
   无线充电也是氮化镓即将实现突破的重要领域。在使用谐振式耦合线圈驱动的无线充电解决方案中，基于氮化镓的器材能够在高频、高压及高功率下工作，而且具有低功耗、低电磁干扰、尺寸纤薄等特点。无线充电100W的技术方案已经成熟，随着供应链和产业链的成熟，即将进入大规模商用阶段。更有甚者，据公开报道，有公司实验成功了300W的无线充电，如果能够规模应用，将让我们全面进入“无线”时代。
   
   氮化镓制作的器件，在无人驾驶领域也拥有广泛的应用前景。激光雷达（LiDAR）是实现无人驾驶的关键设备，它的原理是发出激光脉冲，并接收从物体上反射的激光，再基于全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)在几百米的范围内建立周围环境的模型，尺寸可以精确到厘米级。越快的激光脉冲频率能实现更高的分辨率，而更高的脉冲电流让激光雷达看得更远。氮化镓材器件制作的激光雷达系统能够在极小尺寸上实现以上功能，大大提高了建模的精准度。而且，氮化镓制作的处理器，能够快速地收集、整合、处理来自多个雷达和传感器输入的信号，从而使无人驾驶安全可靠。此外，氮化镓器件还广泛运用于电动 汽车 的操作控制、电压转换、直流交流变频、高强度车灯和充电设备等方面，为实现全方位的无人驾驶提供全面的支持。
   利用氮化镓制作的Micro LED显示器材，能够由“花粉粒”大小的芯片，精确控制每个像素独立发光，从而实现在任何角度和任何条件下，屏幕都具有极强的可读性、完美的色彩和均匀自然的亮度（亮度较OLED产品提高30倍），同时还能提供更好的稳定性和更低的能耗。随着Micro LED成本的不断降低，未来将“处处皆是屏幕、时时可以交互”，极大的改变人们获取信息的方式，丰富人们与各种设备交互的场景，真正做到万物互联。
   氮化镓器件除了具有卓越的特性，更加重要的是，它可以采用与当前半导体产业链相适应的平面封装结构，随着制造工艺的成熟，总体成本将按照摩尔定律快速降低，性能则翻倍提升。有分析预测，氮化镓器件的成本很快将与传统的硅料器件相当，2019年可能就会迎来这一市场拐点。之后，氮化镓将迅速普及，极大的改变IT产业的“基础设施”。
   无论是芯片、通讯器件还是显示器材，氮化镓以一己之力，几乎可以实现整个产业的升级。此外，它还将引领无人驾驶、快速充电产业的迭代，从而实现IT产业外延的扩展。随着新材料的广泛应用，人与人之间、人与万物之间将建立起“即时”的连接，我们正处在这场技术革命的最前沿。
   
   

8. 氮化镓属于什么行业

属于半导体行业。
氮化镓是一种无机物，化学式GaN，是氮和镓的化合物，是一种直接能隙（direct bandgap）的半导体，自1990年起常用在发光二极管中。此化合物结构类似纤锌矿，硬度很高。氮化镓的能隙很宽，为3.4电子伏特，可以用在高功率、高速的光电元件中。

材料应用
新型电子器件
GaN材料系列具有低的热产生率和高的击穿电场，是研制高温大功率电子器件和高频微波器件的重要材料。目前，随着 MBE技术在GaN材料应用中的进展和关键薄膜生长技术的突破，成功地生长出了GaN多种异质结构。用GaN材料制备出了金属场效应晶体管（MESFET）、异质结场效应晶体管(HFET)、调制掺杂场效应晶体管（MODFET）等新型器件。

光电器件
GaN材料系列是一种理想的短波长发光器件材料，GaN及其合金的带隙覆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GaN蓝色 LED之后，InGaN/AlGaN双异质结超亮度蓝色LED、InGaN单量子阱GaNLED相继问世。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。
以上内容参考 百度百科-氮化镓