氮化镓 (GaN) 半导体简史

氮化镓 (GaN) 及其宽带隙同类碳化硅 (SiC) 已开始颠覆电力电子技术。具有讽刺意味的是，就在几年前，GaN 还被认为是一种无用的半导体，主要是因为 GaN 是一种高度不完美的晶体。

因此，科学家和工程师如何克服困难，使 GaN 首先可用于 LED 和 RF 设计，然后用于从可再生能源到电源再到电动汽车 (EV) 的电力电子应用。对 GaN 技术起源，先睹为快。

早期历史

镓 (Ga) 的存在最早由德米特里·门捷列夫 (Dmitri Mendeleev) 于 1871 年预测到，几年后的 1875 年，它被巴黎的保罗·埃米尔·勒科克·德布瓦博德兰 (Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran) 发现。下一个突破出现在 57 年后，当时第一种多晶 GaN 材料是通过使氨 (NH 3 ) 流过液态镓合成的。

1932 年，在 George Herbert Jones 实验室，金属镓和氨在 900⁰C 至 1,000⁰C 的高温下反应，合成了 GaN 材料。37 年后的 1969 年，HP Maruska 和 JJ Tietjen 报道了 GaN 单晶薄膜的生长。他们首次使用氢化物气相外延 (HVPE) 工艺在蓝宝石衬底上沉积 GaN。

几年后，即 1972 年，JI Pankove、EA Miller 和 JE Berkeyheiser 开发了一种基于 GaN 的蓝光探测器。然而，虽然它在室温下会发出蓝色光，但它的功率效率很低。在 20 世纪 80 年代，金属有机化学气相沉积 (MOCVD) 和分子束外延 (MBE) 等生长技术的出现重新推动了对 GaN 商业用途的探索。MBE 和 MOCVD 技术现在都用于制造 GaN 器件，具体取决于应用。

蓝色 LED 的突破

如上所述，基于 GaN 的 LED 于 1972 年首次使用掺有镁的 GaN 开发，镁是一种以 LED 形式发出蓝光的化合物。然而，虽然这些是首批能够发出蓝紫色光的 LED，但它们最初的亮度不足以用于商业用途。

1991 年，时任日本 Nichia Chemical 研究员的 Shuji Nakamura 和他在名古屋大学的两位同事 Isamu Akasaki 和 Hiroshi Amano 申请了一种基于 GaN 的方法生产高亮度蓝色 LED 的专利。两年后，即 1993 年，他们展示了这些高亮度蓝色 LED，其中在 GaN 中掺杂了过量的镁。

基于 LED 的照明应用需要三种原色——红色、绿色和蓝色 (RGB)——但没有制造蓝色 LED 的实用技术。蓝色 LED 成为 RGB LED 出现的最终成分，并最终为白色 LED 和变色 LED 铺平了道路。

高亮度蓝色 LED 的商业可用性成为电子行业的转折点。它首先导致了照明应用的复兴，蓝色 LED 成为固态照明的先驱，开始取代低效的白炽灯和阴极射线管 (CRT) 电视和显示器。

随后，基于 GaN 的蓝色 LED 技术在蓝光光盘的开发中发挥了重要作用，取代了 DVD 成为视觉媒体数据存储的默认方法。所以，毕竟，蓝光代表特定的东西。蓝色 LED 的先驱 Akasaki、Amano 和 Nakamura 因其在 GaN 和固态照明和数据存储方面的工作的巨大影响而获得 2014 年诺贝尔物理学奖。

超越光子学

2004 年，日本的 Eudyna Device Inc. 推出了基于 GaN 的高电子迁移率晶体管 (HEMT) 作为射频应用的耗尽型晶体管。HEMT 结构基于 Takashi Mimura 及其团队于 1975 年首先描述的现象。接下来，在 1994 年，MA Khan 和他的同事展示了异常高的电子迁移率，描述为在 AlGaN 和 GaN 异质结构界面之间的界面附近的二维电子气 (2DEG)。

Khan 的团队还展示了第一个通过 MOCVD 生长的 GaN/AlxGaN 异质结构。与相同厚度的块状 GaN 相比，这种异质结构的电子迁移率在室温下高 12 倍。这些发现凸显了 GaN 在电力电子领域的潜力。例如，2DEG 具有低导通电阻、高电流能力和高功率密度，在提高 GaN 基功率器件性能方面发挥了至关重要的作用。

Eudyna 将这项工作货币化，以产生数千兆赫兹频率范围内的基准功率增益。一年后，即 2005 年，Nitronex 公司推出了第一个耗尽型 RF HEMT 晶体管，该晶体管由生长在硅晶圆上的 GaN 制成。就在那时，GaN RF 晶体管开始进军 RF 设计，尤其是在需要其高效率、高电压能力的 RF 基础设施应用中。然而，GaN RF 晶体管受到器件成本以及耗尽模式操作不便的限制。

因此，增强型 GaN 晶体管（也称为 GaN FET）的研究开始了，方法是使用 MOCVD 技术在标准硅晶片的氮化铝 (AlN) 层上生长一层薄薄的 GaN，其中材料层是通过高度释放到腔室中的气体之间的受控化学反应。AIN 层充当衬底和 GaN 之间的缓冲层。

构建在标准硅晶圆之上的 GaN FET 与硅 MOSFET 一样保持成本，但提供卓越的电气性能。来源：EPC

2009 年，初创公司 Efficient Power Conversion (EPC) 推出了首款专门设计用于替代功率 MOSFET 的硅晶圆增强型 GaN。这些场效应晶体管 (FET) 为使用标准硅制造技术和设施以低成本大批量生产 GaN 打开了大门。很快，富士通、MicroGaN、松下和德州仪器加入了竞争并开始开发他们自己版本的 GaN 器件。

GaN 晶体管和 IC

增强型 GaN 晶体管旨在在开关速度或功率转换效率至关重要的应用中替代功率 MOSFET。在他们成立之后，GaN 功率 IC 的工作就开始了，它将 GaN FET、基于 GaN 的驱动电路和电路保护单片集成到单个表面贴装器件中。

这种集成导致了一个基本上为零阻抗的栅极驱动环路，通过几乎消除 FET 的关断损耗提高了效率。低压 GaN 功率 IC 的制造工作始于香港科技大学 (HKUST)，首批器件于 2015 年展示。

然后，在 2016 年，位于加利福尼亚州马里布的 HRL 实验室展示了一种 GaN 功率 IC，以低成本实现 GaN 电子产品的全部优势。这里值得一提的是，领先的 GaN 厂商 Navitas Semiconductor 于 2013 年在 HRL 停车场的拖车上成立。次年，联合创始人和前 HRL 高管 Gene Sheridan 和 Dan Kinzer 从 HRL 获得了 GaN 电力电子技术的许可。

商用 GaN 功率 IC 的生产始于 2018 年。