九峰山实验室GaN系列成果首次发布

作为第三代化合物半导体材料的代表，氮化镓（GaN）凭借其优异的物理特性和广阔的应用前景，正在全球范围内掀起一场产业技术革命。

凭借其高频、高功率和高效率的显著特性，氮化镓（GaN）正迅速成为多个行业的“颠覆性技术”。GaN器件不仅能够在极端环境下稳定运行，还可在更高频率范围内工作，同时提供更大的输出功率和更高的能量转换效率。这使其成为无线通信、卫星通信、雷达与导航、智慧医疗以及物联网等高端应用领域发展的核心推动力，并已逐步接近规模化应用的关键节点。

然而，尽管前景十分广阔，GaN的广泛应用仍面临诸多挑战。为了充分释放其潜力，需要产业链上下游通力协作，通过持续的技术创新和规模化生产来解决这些问题。九峰山实验室自成立以来便前瞻性地布局了以氮化镓材料为核心的研究方向，目前已在材料、器件及产业应用等多个层面取得了一系列突破性成果。这些成果包括：

1. 颠覆性材料：国际首创8英寸硅基氮极性氮化镓衬底（N-polar GaNOI）

来源：九峰山实验室

科研团队在全球范围内首次成功制备了8英寸硅基氮极性氮化镓（N-polar GaNOI）高电子迁移率材料。这一突破性成果将显著推动射频前端等系统级芯片在频率、效率和集成度等方面的跨越式提升，为下一代通信、自动驾驶、雷达探测以及微波能量传输等前沿技术的发展提供强有力的支持。

氮化镓晶体结构的极性方向对其器件性能和应用场景有着重要影响。根据晶体生长的极性方向，氮化镓主要分为氮极性氮化镓（N-polar GaN）和镓极性氮化镓（Ga-polar GaN）两种相反的极化类型。研究表明，在高频和高功率器件领域，氮极性氮化镓相较于传统的镓极性氮化镓展现出更显著的技术优势。作为高频通信与雷达探测领域的关键半导体材料，氮极性氮化镓已成为国际科研界的重点研究方向。然而，由于其材料生长条件极为苛刻、工艺高度复杂，目前全球仅有少数机构能够小批量生产2-4英寸的氮极性氮化镓高电子迁移率衬底材料，且生产成本居高不下。

(a) 九峰山实验室8英寸N极性GaN晶圆实物照片, (b) N极性GaNOI截面透射电镜照片

九峰山实验室的这一技术成果实现了全球首次在8英寸硅衬底上制备氮极性氮化镓高电子迁移率功能材料（N-polar GaNOI），成功打破了国际技术垄断。其核心突破主要体现在以下三个方面：第一，成本控制方面，采用硅基衬底，兼容8英寸主流半导体产线设备，并深度融合硅基CMOS工艺，使该技术能够快速适配量产需求；第二，材料性能方面，不仅显著提升了材料性能，还确保了其高可靠性；第三，良率提升方面，键合界面良率超过99%。这些突破为该材料的大规模产业化应用奠定了坚实基础。

2.  器件及设计创新：全国首个100nm高性能氮化镓流片PDK平台

九峰山实验室发布了国内首个100nm硅基氮化镓商用工艺设计套件（PDK），其性能指标达到国内领先、国际一流水平。作为全球第二个、国内首个商用方案，该技术能够支持高通量Ku/Ka频段低轨卫星通信，满足下一代移动通信、商用卫星通信与航天领域、车联网、工业物联网以及手机终端等领域对高频、高功率、高效率氮化镓器件的需求，推动我国相关领域从“进口替代”向“技术输出”迈进。

PDK（Process Design Kit，工艺设计套件）是半导体制造中不可或缺的工具包，为芯片设计者提供工艺参数、器件模型、设计规则等关键信息，快速实现从电路设计到实际制造的转化，是连接芯片设计与制造的重要“桥梁”。

近年来，随着高速率、低延迟通信需求的急剧增长，通信技术正经历快速迭代。在此背景下，市场对高性能氮化镓（GaN）器件的需求显著提升。其中，硅基氮化镓（GaN-on-Si）技术凭借其高效率、高功率和高频率的优异性能，同时兼具硅基大尺寸、低成本的优势，成为高频高通量通信领域（如商用卫星通信）最具潜力的主流解决方案之一，也是全球各国竞相争夺的技术高地。

硅基氮化镓要在商业化应用中取得突破，离不开强大的PDK设计套件支持。九峰山实验室发布的这款PDK是国内首个100nm硅基氮化镓商用工艺设计套件（PDK），已获得多项自主知识产权。其核心技术优势体现在以下几点：

• 跨代际开发：为满足高通量卫星通信等场景对更高传输速率和更大带宽的需求，跳过150nm以下节点，采用100nm栅长技术，显著提升器件的截止频率，使其能够覆盖DC到Ka波段的毫米波频段应用。
• 高性能：通过外延和器件结构设计，有效降低电流崩塌，减小接触电阻，提高器件效率，这一系列技术突破使应用终端在功耗和功率密度方面得到显著提升。
• 低成本：硅基氮化镓技术既结合了氮化镓材料的高频、高功率和高效率性能优势，又兼具硅基价格优势。未来，该技术可向8英寸及以上大尺寸拓展，与CMOS工艺兼容，进一步降低成本。

3. 系统级应用创新：动态远距离无人终端无线能量传输完成示范验证

九峰山实验室基于自主研发的氮化镓（GaN）器件，成功构建了一套动态远距微波无线传能系统，并在20米范围内实现了对无人机的动态无线供能示范验证。这一技术突破了传统无线充电的距离限制，解决了接收端功率波动与能量转换效率低的问题，为物流、农业、工业4.0、智能家居等领域提供了创新性技术储备，标志着我国在高频高功率无线传能领域的探索迈入新阶段。

微波无线传能是一种通过电磁波远距离传输能量的方式，具备构建全域能源网络的巨大潜力。这项技术在多个领域具有潜在的应用价值，包括但不限于远程充电、工业4.0、空间太阳能电站系统、通信、物联网、应急救灾装备能源保障以及医疗等领域。

此前，微波无线传能技术面临系统传输效率低的问题，亟需开发高效的收端模块、发端模块和天线技术。九峰山实验室成功实现了高性能GaN SBD（肖特基势垒二极管）器件的自主研发，并创新性提出“动态匹配+高精定位”双模控制策略，完成了动态无线充电的示范验证，形成了多项发明专利集群，实现了全链条自主创新，达成了“器件升级-技术革新-国际引领”的链式效应。