《氮化镓与化合物半导体》课件.ppt

氮化镓与化合物半导体下一代半导体技术核心材料

目录基础知识化合物半导体简介氮化镓基本特性应用领域功率电子、射频、光电子5G通信、电动汽车、消费电子产业分析技术发展路线产业链布局与市场前景未来展望技术突破方向

什么是化合物半导体？定义由两种或多种元素组成的半导体材料形成化学键后具有半导体特性分类二元：GaAs、GaN、SiC三元：AlGaN、InGaN四元：AlGaInP与单质半导体区别能带结构可调更高的电子迁移率直接带隙特性

化合物半导体的发展历程1第一代硅(Si)、锗(Ge)20世纪40-50年代计算机、消费电子基础2第二代砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)20世纪70-80年代高频器件、光电子器件3第三代氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)21世纪初至今高功率、高频、高温应用

三代半导体材料性能对比性能参数Si(第一代)GaAs(第二代)GaN(第三代)SiC(第三代)禁带宽度(eV)1.121.433.43.26击穿电场(MV/cm)0.30.43.32.5电子迁移率(cm2/Vs)1500850020001000热导率(W/cmK)1.50.51.34.9

氮化镓（GaN）简介化学结构化学式：GaN镓原子与氮原子结合共价键形成稳定结构晶体结构六方纤锌矿结构c轴方向为极性轴格常数：a=3.189?,c=5.185?物理外观透明至淡黄色晶体高硬度熔点约2500℃

氮化镓的基本特性3.4eV宽禁带高击穿电压3.3MV/cm击穿电场高耐压能力2000cm2/Vs电子迁移率高速开关特性1.3W/cmK热导率良好散热性能

氮化镓的优势高频性能工作频率可达100GHz以上高温稳定性可在200℃以上环境工作高功率密度比硅高10倍功率密度低导通电阻比硅低40%的开关损耗

氮化镓的制备方法金属有机化学气相沉积（MOCVD）主流工业生产方法前驱物：三甲基镓(TMGa)和氨气(NH?)生长温度：950-1100℃优势：高质量、大面积、高产能分子束外延（MBE）研究级制备方法材料源：高纯金属镓和氮等离子体超高真空环境（10?1?托）精确控制原子层级生长优势：高纯度、界面锐利

氮化镓衬底材料1自支撑GaN理想选择，无晶格失配2碳化硅（SiC）晶格失配3.5%，热导率高3蓝宝石（Al?O?）晶格失配16%，成本低4硅（Si）晶格失配17%，兼容CMOS工艺

硅基氮化镓（GaN-on-Si）技术优势成本低（兼容现有硅产线）大尺寸（可达12英寸）与硅集成电路兼容供应链成熟技术挑战晶格失配（17%）热膨胀系数差异（56%）晶体质量控制应力管理解决方案过渡层设计应力释放层缓冲层优化生长参数调控

氮化镓器件类型高电子迁移率晶体管（HEMT）利用AlGaN/GaN异质结二维电子气高频、高功率应用的主流器件金属-绝缘体-半导体场效应晶体管（MISFET）栅极下添加绝缘层降低栅极漏电流异质结双极晶体管（HBT）利用GaN与其他材料形成p-n结高线性度射频应用

氮化镓在射频领域的应用5G基站大功率射频放大器高效率、宽带宽、小型化雷达系统相控阵雷达T/R模块高功率密度、高可靠性卫星通信太空级通信系统抗辐射、高效率、轻量化

氮化镓在功率电子领域的应用电源管理高频DC-DC转换器数据中心电源效率提升20%电动汽车车载充电器体积减少40%主驱逆变器效率提升3-5%太阳能逆变器转换效率超过99%系统成本降低10-15%

氮化镓在光电子领域的应用从LED照明到激光雷达，氮化镓光电器件改变着我们的世界2014年诺贝尔物理学奖授予蓝光LED发明者

氮化镓在5G通信中的应用100W+功率输出满足宏基站覆盖需求60%能效提升相比LDMOS技术300GHz工作频率支持毫米波通信40%基站体积减少实现小型化设计

氮化镓在电动汽车中的应用车载充电器11kW/22kW双向充电DC-DC转换器高压到12V/48V系统电机驱动器主驱动逆变器电池管理均衡充电系统

氮化镓在消费电子中的应用快速充电器100W+小型化充电器体积减少40%以上无线充电高效无线能量传输发热低、充电快电源适配器体积小、重量轻多口输出、智能功率分配

氮化镓在航空航天领域的应用1卫星通信系统高效率功率放大器减轻卫星重量，延长寿命2电子对抗设备宽频带干扰发射器高功率密度，快速响应3离子推进器高频电源转换器提高推进效率和可靠性4航电系统抗辐射加固电子设备高温稳定性，减少冷却需求

氮化镓在医疗领域的应用医疗影像设备MRI/CT高频电源体积小、效率高、发热少生物传感器高灵敏度化学物质检测生物兼容性好紫外消毒基于氮化镓的UVCLED高效杀菌、无汞环保

氮化镓技术发展历程11969年美国RCA实验室首次合成GaN单晶21989年日本名古屋大学赤崎勇和天野浩实现p型掺杂突破31993年日本日亚化学工业中村修二开发出首个商用蓝光LED4200