氮化鎵(GaN)是一種性能穩定的化合物，在室溫下， GaN不溶于水、酸和堿，而在熱的堿溶液中以非常緩慢的速度溶解。NaOH、H2SO4和H3PO4能較快地腐蝕質量差的GaN，可用于這些質量不高的GaN晶體的缺陷檢測。GaN在HCL或H2氣下，在高溫下呈現不穩定特性，而在N2氣下最為穩定。
氮化鎵中主要是共價鍵，由于氮和鎵兩種組分在電負性上的明前差別，在該化合物中存在相當大的離子成分，它決定了各結構的穩定性。氮化鎵（GaN）化學性質很穩定,硬度強,耐高溫,其熔點約為1700℃，并且具有很高的電離度，在Ⅲ-Ⅴ族化合物中是最高的(0.5或0.43)。GaN是一種導熱性和機械性能都非常優異的半導體材料。到目前為止我們已知的GaN有三種晶體結構，它們分別為纖鋅礦、閃鋅礦和巖鹽礦。通常的情況下纖鋅礦是最穩定的結構，閃鋅礦結構的GaN通常在高溫的條件下會轉變成更加穩定的纖鋅礦結構的GaN，而巖鹽相是GaN的高壓相結構（壓力一般大于37GPa），通常情況下是不容易存在的。
氮化鎵是氮和鎵的化合物，是一種直接能隙的半導體，該化合物結構類似纖鋅礦，硬度很高。氮化鎵的能隙很寬，為3.4電子伏特，可以用在高功率、高速的光電元件中，如氮化鎵可以用在紫光的激光二極管，可以在不使用非線性半導體泵浦固體激光器的條件下，產生紫光激光。
圖1為纖鋅礦結構GaN的晶胞結構示意圖，它的一個元胞中有四個原子。
圖1
GaN材料應用
GaN為第三代半導體材料，它是一種具有較大禁帶寬度的半導體，工作溫度高，是微波功率晶體管的優良材料。GaN晶體一般是六方纖鋅礦結構，原子體積大約為GaAs的一半。GaN受青睞的主要原因是它是寬禁帶，與硅或者其他IIIV族器件相比，氮化鎵速度更快，擊穿電壓也更高。采用GaN，能夠使電子設備放置得離天線更近，使電子設備變得更加強大、輕型和小型化。
GaN材料是寬禁帶半導體材料，為直接帶隙半導體材料，具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導率、更高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力。其光躍遷幾率比間接帶隙的高約一個數量級，具有優良的化學和電學性質、良好的材料機械性能、高電子飽和速度、高熱導率等優良性質，更適合用于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件，在光電領域應用廣泛。氮化鎵的應用領域以LED、FET、LD、太陽能電池、功率器件等方面為主，LED和FET為熱點研發領域。
氮化鎵在器件類型上主要應用于發光二極管、場效應晶體管、二極管、太陽能電池等。其中FET涉及多種類型的器件：IGFET、HEMT、MOSFET、bipolar transistor、JFET、MISFET、IGBT等。二極管主要涉及整流二極管、發光二極管等。
GaN引領5G時代
基于氮化鎵的性質，其電子遷移率比傳統材料要高得多，同樣的體積可以實現更高功率的電能轉換，使電子設備變得更加強大、輕型和小型化。早期的氮化鎵材料被運用到通信、軍工領域，隨著技術的進步以及人們的需求，氮化鎵產品已經走進了我們生活中。
日常我們比較熟悉的是第三代半導體氮化鎵在射頻電子和電力電子兩大領域的應用。氮化鎵微波器件具有高電壓、高功率、耐高溫、寬頻及高增益特點，在無線通訊、雷達和寬頻帶通信等領域有著巨大的應用前景。氮化鎵電力電子器件產品具有高效率、高速度、高結溫的特點，在工業控制、電源、電動汽車以及太陽能逆變器領域應用廣泛，能夠有效降低電能轉換系統損耗50%以上，同時成倍地減小設備體積，減少銅等貴重原材料消耗，其耐高溫的特性也為節約重量、減少體積，特別適用于環境惡劣的場合。
以下介紹兩種GaN更加生活化的應用。
一、 應用于快速充電器
2019年3月1日，ANKER GaN技術充電器的第一款產品正式在國內上市，名叫ANKER PowerPort Atom PD 1，它支持USB PD快充，最大輸出達30W，它的體型小巧重量輕盈，單從外觀來看它完全不像是一枚具有30W功率輸出的充電器。此后Anker相繼推出第二款內置氮化鎵的產品，Anker PowerCore Fusion PD超級充、內置GaN功率器件的60W充電器。與蘋果祖傳5W充電頭相比，該款充電器體積小，但是功率大，不僅如此，蘋果5W充電器在充電過程中發熱嚴重，而該款充電器發熱溫和。
以下為ANKER PowerPort Atom PD 1充電器圖示：
其芯片是 PI SC1933C，屬于PI InnoGaN 系列，這個是PI推出的首款GaN電源產品，標志著GaN元件在USB PD快充電源上得到全面應用，其高頻率低損耗的優勢，能夠提高充電器的功率密度，減小體積和重量，更加便于攜帶。
2019年5月25日，專注于ODM業務的電源配件廠商仁越科技舉辦“2019 UIBI柚比品牌發布會”，推出了旗下面向消費者的全新品牌UIBI柚比，并展示了使用GaN元件的PD快充頭。UIBI柚比旗下的GaN PD快充頭分為30W、45W和50W三個不同功率的版本可選。每一款都各具特色，UIBI柚比為其起名三個“極致”。
同時小米、OPPO、華為都在爭奪50W以上的大功率快充市場。未來GaN材料在大功率快充市場的應用前景不可限量。
為什么氮化鎵GaN在快充上能做到如此優秀？
因為GaN元件具有高頻率低損耗的優勢，能夠提高充電器的功率密度，減小體積和重量，更加便于攜帶。
相對硅而言，氮化鎵擁有更寬的帶隙，寬帶隙也意味著，氮化鎵能比硅承受更高的電壓，擁有更好的導電能力。簡而言之兩種材料在相同體積下，氮化鎵比硅的效率高出不少。如果氮化鎵替換現在所有電子設備，可能會讓電子產品的用電量再減少10%或者25%。氮化鎵材料的電子遷移率比傳統材料要高得多，同樣的體積可以實現更高功率的電能轉換，而且效率非常高，耐熱性也很強，應用在高功率充電頭上，可以說是非常適合。氮化鎵還可以比硅更容易在高溫環境中存活下來，它可以應付更復雜的環境設計。比如，車載ECU往往需要遠離發動機，并加裝額外的散熱裝備。但是基于氮化鎵的車載ECU可能不需要考慮這么多，甚至可以和發動機捆綁以節省成本，驅動汽車設計進一步升級。
二、應用于5G通訊
2018年10日揭幕的2018中國國際應用科技交易博覽會上，國產5G通信基站GaN(氮化鎵)功率放大器芯片對外亮相。中國發明成果轉化研究院有關負責人透露，GaN芯片已完成多款產品設計，并已獲得中電集團客戶認證成功，計劃2019年正式推出。該芯片將可全面滿足中國5G通信基站對射頻功率放大器的需求，未來可望實現人與人乃至物聯網、生產機器人、無人駕駛“實時無線電通信”。日前國產5G通信基站GaN（氮化鎵）芯片已經通過認證，打破了國外的壟斷情況。
器件的物理特性決定了應用，氮化鎵高禁帶電壓比較高，支持更高的頻率，因此可應用于高壓高功率和寬帶寬的場合。氮化鎵在大功率放大器，大功率開關以及高頻微波級別的功率應用上，將有它的獨特優勢，包括功率放大器、開關、限幅器等。同時在低功率應用中，包括傳統的低噪聲放大器、手機放大器、電源轉換等應用場合中，氮化鎵同樣是適合的。
5G高頻率特性讓氮化鎵（GaN）半導體成為功率放大器市場主流技術，同時，GaN功率元件也開始被大量應用在車聯網及電動車領域。
隨著5G技術即將全面商用，基地臺升級商機龐大，由于5G技術上采用更高操作頻率，業界對于GaN元件將逐步取代橫向擴散金氧半導體（LDMOS）并成為市場主流技術已有高度共識。另外，在手機PA元件部份，3G及4G主要采用GaAs制程，5G因為高頻的關系，讓GaN制程的PA元件很有機會成為市場新主流。
手機射頻前端模組包括功率放大器、射頻開關及其他元器件（濾波器等）。用于放大輸入信號的功率放大器通常采用砷化鎵工藝。砷化鎵成本較低，性能目前夠用。現在手機使用的電壓范圍為3-5V，在這種電壓下，氮化鎵的性能要打折扣，但是在3GHZ以上，氮化鎵將發揮巨大作用，其傳輸速率可達到10Gbps，是目前4G速度的100倍。預計到2020年，5G開始大規模商用部署，到時候5G不但兼容4G網絡，還會使用非授權或毫米波波段（30GHZ-300GHZ，波長為10mm到1mm）。
GaN材料應用舉例
應用舉例 | 描述 |
場效應晶體管
| 目前，隨著MBE、MOCVD等外延技術的發展，通過生長多種異質結構已成功開發GaN基多種場效應晶體管，在航空、石油勘探、自動化、通信等領域必將發揮著不可或缺的重要作用。 |
激光器 | GaN是制作從紫外到可見光波段半導體激光器的理想材料。納米激光器是納米級的半導體激光發射器，應用于超級計算機芯片、高敏感度生物傳感器、通信技術的研發等多個領域。 |
LED
| 隨著LED應用的越來越廣泛，顯示領域要求其有更好額轉換效率，惡劣環境中的應用要求其具有較好的穩定性等。GaN作為直接躍遷型半導體材料，有禁帶寬度大、電子飽和速率高、擊穿電場高、熱導率高以及物理化學性質穩定等優點，認為是制作LED器件的最佳材料。 |
光探測器
| 與SiC金剛石等半導體材料相比，GaN用于紫外光探測器有諸多優勢，如較高的量子效率、信號陡峭、噪聲低、邊帶可調整等優勢，從而可以很好的提高紫外光探測的靈敏度。GaN基紫外光探測器被廣泛應用于空間通訊、臭氧監測、水銀燈消毒監控、污染監測、激光探測器和火焰傳感等方面 |
近年來，國家對第三代半導體材料愈發重視，我國半導體材料市場發展迅速。以碳化硅與氮化鎵為主的材料受到更多關注。而采用GaN的微波射頻器件目前主要用于軍事領域及4G/5G通訊基站應用場景，出于軍事安全的考量，國外對高性能的氮化鎵器件實行對華禁運。開展GaN研發對于打破國外壟斷具有重要的意義。但是目前碳化硅與氮化鎵材料和器件方面產業鏈尚未形成等，這些問題需逐步解決，方可讓國產半導體材料屹立于世界頂尖行列。
GaN制備方法總結
氮化鎵制備方法總結 表1
制備方法 | 過程簡介 | 優點 | 缺點 | |
氣相法 | HVPE法 | 在一個多溫區的熱壁反應系統內進行，金屬Ga放在850℃的溫區，HCl氣體從其上方通過。生成的GaCl傳送到襯底（1000-1100℃）與NH3反應生成GaN單晶。 | 工藝簡單，生長速率快，實用化程度高，可用于生長大尺寸的GaN；厚層GaN缺陷密度小 | 無法生長量子阱和超晶格結構 |
氣相傳輸法 | 在高溫下將Ga通過氣相傳輸到襯底與NH3反應，生成GaN單晶。如果Ga源采用事先制備合成好的GaN，則稱為升華法，采用純Ga作為Ga源，則稱為蒸發凝聚法。 | 升華法：穩定 | 升華法：生長速率慢；生長時必須連續供給GaN合成粉。 | |
熔體法 | HNPSG | 在極高的N2壓力下，使Ga在高溫下融入足夠多的N2，通過降溫或在低溫區的ga溶液中實現N過飽和，從而實現GaN單晶生長。該方法采用了很高的溫度和N氣壓力，以增加Ga溶液中N的溶解，并阻止GaN在高溫下分解。生長溫度一般為1300-1700℃，氮氣壓力為0.5-2.0Gpa。 | 單晶質量高。 | 需要高溫高壓，對設備要求苛刻，溫度、壓力的控制非常復雜。目前只能生長出直徑10mm左右的薄片狀單晶，進一步增大晶體尺寸比較困難。該方法實現商業應用的可能性不大。 |
助熔劑法/熔鹽法 | 在Ga中摻入一些Na、Li、K、Sn等金屬或金屬化合物來增加N的溶解度，從而在較低N2壓力下實現GaN晶體生長。生長溫度一般為600-800℃，氮氣壓力為6-8Mpa，生長時間200h。 | 可適當降低壓力。 | 成核密度大，很難生長出大塊單晶；生長速率太低，N2壓力較高；晶體一般呈黑色。實用化程度低。 | |
氨熱法 | 在高壓釜內進行。Ga源采用GaN或Ga，在高壓釜中裝入液氨及少量的NH4Cl或KNH2作為礦化劑。以Ga作為Ga源，反應很難控制，生長的晶體較小。目前多采用合成的GaN作為Ga源。生長溫度一般為400-600℃。壓力100-180Mpa。 | 生長溫度低。 | 生長速率太慢，很難得到高純度材料，礦化劑以及高壓釜造成GaN晶體中出現一些雜質。 | |
提拉法 | 用石墨籽晶從含Ga熔體中提拉生長。生長溫度800-1000℃，壓力小于2個大氣壓。 | 單晶直徑大。可生長出直徑20mm的GaN晶錠。 |
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氮化鎵外延層制備方法總結 表2
制備方法 | 溫度/℃ | 壓強 | 優點 | 缺點 |
HVPE | 850-1100 | 10^6 | 更高的生長速率、質量較高的厚膜 | 不易生長異質結與多元合金 |
MBE | 650-850 | 10^-3 | 突變異質構，可得高In組分 | 生長速率低 |
MOCVD | 950-1100 | 10^5-10^6 | 易控制，均勻性好 | 生長的In組分較低 |
原子層外延ALE | 500-700 | 10^-3 | 突變異質構，可得高In組分 | 生長速率低，源利用率低 |
脈沖激光PLD | 600-700 | 10 | 不發生化學反應，P型摻雜容易 | 薄膜表面顆粒較多，粗糙 |
GaN粉體材料的合成
波蘭科學家在高溫（1600℃）高壓（15-20kbar）下采用金屬鎵與氮氣直接合成了GaN材料。其反應方程式為：
通過Ga與NH3的化學反應也可實現GaN的合成。生長GaN需要一定的生長溫度，且需要一定的NH3分壓。其可逆的反應方程式為：
河北利福光電技術有限公司目前已經實現了氮化鎵（GaN）粉體的批量生產，可以為客戶提供超高純超細（大于5N，小于1mm）的氮化鎵粉體材料。
圖2 LPO GaN粉體
圖3 LPO GaN
此外河北利福光電技術有限公司已開發出氮化稀土，氮化堿土金屬，氮化鐵，氮化鋯，氮化鋰，氮化釩，氮化鍺，氮化銅和氮化銦等氮化物產品40余種，可為客戶定制各種納米和亞微米級的各類氮化物，可應用于磁性材料，靶材材料，LED熒光粉，鋰電池、儲能材料和催化劑等領域，另有開發了低成本的氮化鐵、氮化鎵和氮化銅產品，可以滿足大工業生產批量供貨的需求。
參考文獻
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3. 半導體材料的華麗家族—氮化鎵基材料簡介，孫殿照.
4. GaN材料的制備、性能及生長機理研究，曹玉萍，博士學位論文，山東師范大學.
5. 氮化鎵的合成制備及前景分析，童寒軒，遼寧化工，2011.
6. 射頻氮化鎵GaN技術及其應用，周國強，李維慶，張一鳴
7. GaN納米線和薄膜的制備及其特性研究，王非，碩士學位論文，太原理工大學.
8. 氮化鎵的物理性質，青木昌治，固體物理，7（11）.
作者：河北利福光電技術有限公司 李方
作者：粉體圈
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