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氮化镓(GaN)引领5G时代
2019年08月22日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:202
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氮化镓(GaN)是一种性能稳定的化合物,在室温下, GaN不溶于水、酸和碱,而在热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶解。NaOH、H2SO4H3PO4能较快地腐蚀质量差的GaN,可用于这些质量不高的GaN晶体的缺陷检测。GaN在HCL或H2气下,在高温下呈现不稳定特性,而在N2气下最为稳定。

氮化镓中主要是共价键,由于氮和镓两种组分在电负性上的明前差别,在该化合物中存在相当大的离子成分,它决定了各结构的稳定性。氮化镓(GaN)化学性质很稳定,硬度强,耐高温,其熔点约为1700℃,并且具有很高的电离度,在Ⅲ-Ⅴ族化合物中是最高的(0.5或0.43)。GaN是一种导热性和机械性能都非常优异的半导体材料。到目前为止我们已知的GaN有三种晶体结构,它们分别为纤锌矿、闪锌矿和岩盐矿。通常的情况下纤锌矿是最稳定的结构,闪锌矿结构的GaN通常在高温的条件下会转变成更加稳定的纤锌矿结构的GaN,而岩盐相是GaN的高压相结构(压力一般大于37GPa),通常情况下是不容易存在的。

氮化镓是氮和镓的化合物,是一种直接能隙的半导体,该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,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。

1为纤锌矿结构GaN的晶胞结构示意图,它的一个元胞中有四个原子。 

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GaN材料应用

GaN为第三代半导体材料,它是一种具有较大禁带宽度的半导体,工作温度高,是微波功率晶体管的优良材料。GaN晶体一般是六方纤锌矿结构,原子体积大约为GaAs的一半。GaN受青睐的主要原因是它是宽禁带,与硅或者其他IIIV族器件相比,氮化镓速度更快,击穿电压也更高。采用GaN,能够使电子设备放置得离天线更近,使电子设备变得更加强大、轻型和小型化。

GaN材料是宽禁带半导体材料,为直接带隙半导体材料,具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力。其光跃迁几率比间接带隙的高约一个数量级,具有优良的化学和电学性质、良好的材料机械性能、高电子饱和速度、高热导率等优良性质,更适合用于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件,在光电领域应用广泛。氮化镓的应用领域以LED、FET、LD、太阳能电池、功率器件等方面为主,LED和FET为热点研发领域。

氮化镓在器件类型上主要应用于发光二极管、场效应晶体管、二极管、太阳能电池等。其中FET涉及多种类型的器件:IGFET、HEMT、MOSFET、bipolar transistor、JFET、MISFET、IGBT等。二极管主要涉及整流二极管、发光二极管等。

GaN引领5G时代

基于氮化镓的性质,其电子迁移率比传统材料要高得多,同样的体积可以实现更高功率的电能转换,使电子设备变得更加强大、轻型和小型化。早期的氮化镓材料被运用到通信、军工领域,随着技术的进步以及人们的需求,氮化镓产品已经走进了我们生活中。

日常我们比较熟悉的是第三代半导体氮化镓在射频电子和电力电子两大领域的应用。氮化镓微波器件具有高电压、高功率、耐高温、宽频及高增益特点,在无线通讯、雷达和宽频带通信等领域有着巨大的应用前景。氮化镓电力电子器件产品具有高效率、高速度、高结温的特点,在工业控制、电源、电动汽车以及太阳能逆变器领域应用广泛,能够有效降低电能转换系统损耗50%以上,同时成倍地减小设备体积,减少铜等贵重原材料消耗,其耐高温的特性也为节约重量、减少体积,特别适用于环境恶劣的场合。

以下介绍两种GaN更加生活化的应用。

一、 应用于快速充电器

2019年3月1日,ANKER GaN技术充电器的第一款产品正式在国内上市,名叫ANKER PowerPort Atom PD 1,它支持USB PD快充,最大输出达30W,它的体型小巧重量轻盈,单从外观来看它完全不像是一枚具有30W功率输出的充电器。此后Anker相继推出第二款内置氮化镓的产品,Anker PowerCore Fusion PD超级充、内置GaN功率器件的60W充电器。与苹果祖传5W充电头相比,该款充电器体积小,但是功率大,不仅如此,苹果5W充电器在充电过程中发热严重,而该款充电器发热温和。

以下为ANKER PowerPort Atom PD 1充电器图示:

其芯片是 PI SC1933C,属于PI InnoGaN 系列,这个是PI推出的首款GaN电源产品,标志着GaN元件在USB PD快充电源上得到全面应用,其高频率低损耗的优势,能够提高充电器的功率密度,减小体积和重量,更加便于携带。

2019年5月25日,专注于ODM业务的电源配件厂商仁越科技举办“2019 UIBI柚比品牌发布会”,推出了旗下面向消费者的全新品牌UIBI柚比,并展示了使用GaN元件的PD快充头。UIBI柚比旗下的GaN PD快充头分为30W、45W和50W三个不同功率的版本可选。每一款都各具特色,UIBI柚比为其起名三个“极致”。

同时小米、OPPO、华为都在争夺50W以上的大功率快充市场。未来GaN材料在大功率快充市场的应用前景不可限量。

为什么氮化镓GaN在快充上能做到如此优秀?

因为GaN元件具有高频率低损耗的优势,能够提高充电器的功率密度,减小体积和重量,更加便于携带。

相对硅而言,氮化镓拥有更宽的带隙,宽带隙也意味着,氮化镓能比硅承受更高的电压,拥有更好的导电能力。简而言之两种材料在相同体积下,氮化镓比硅的效率高出不少。如果氮化镓替换现在所有电子设备,可能会让电子产品的用电量再减少10%或者25%。氮化镓材料的电子迁移率比传统材料要高得多,同样的体积可以实现更高功率的电能转换,而且效率非常高,耐热性也很强,应用在高功率充电头上,可以说是非常适合。氮化镓还可以比硅更容易在高温环境中存活下来,它可以应付更复杂的环境设计。比如,车载ECU往往需要远离发动机,并加装额外的散热装备。但是基于氮化镓的车载ECU可能不需要考虑这么多,甚至可以和发动机捆绑以节省成本,驱动汽车设计进一步升级。

二、应用于5G通讯

2018年10日揭幕的2018极速5分快三国际应用科技交易博览会上,国产5G通信基站GaN(氮化镓)功率放大器芯片对外亮相。极速5分快三发明成果转化研究院有关负责人透露,GaN芯片已完成多款产品设计,并已获得中电集团客户认证成功,计划2019年正式推出。该芯片将可全面满足极速5分快三5G通信基站对射频功率放大器的需求,未来可望实现人与人乃至物联网、生产机器人、无人驾驶“实时无线电通信”。日前国产5G通信基站GaN(氮化镓)芯片已经通过认证,打破了国外的垄断情况。

器件的物理特性决定了应用,氮化镓高禁带电压比较高,支持更高的频率,因此可应用于高压高功率和宽带宽的场合。氮化镓在大功率放大器,大功率开关以及高频微波级别的功率应用上,将有它的独特优势,包括功率放大器、开关、限幅器等。同时在低功率应用中,包括传统的低噪声放大器、手机放大器、电源转换等应用场合中,氮化镓同样是适合的。

5G高频率特性让氮化镓(GaN)半导体成为功率放大器市场主流技术,同时,GaN功率元件也开始被大量应用在车联网及电动车领域。

随着5G技术即将全面商用,基地台升级商机庞大,由于5G技术上采用更高操作频率,业界对于GaN元件将逐步取代横向扩散金氧半导体(LDMOS)并成为市场主流技术已有高度共识。另外,在手机PA元件部份,3G及4G主要采用GaAs制程,5G因为高频的关系,让GaN制程的PA元件很有机会成为市场新主流。

手机射频前端模组包括功率放大器、射频开关及其他元器件(滤波器等)。用于放大输入信号的功率放大器通常采用砷化镓工艺。砷化镓成本较低,性能目前够用。现在手机使用的电压范围为3-5V,在这种电压下,氮化镓的性能要打折扣,但是在3GHZ以上,氮化镓将发挥巨大作用,其传输速率可达到10Gbps,是目前4G速度的100倍。预计到2020年,5G开始大规模商用部署,到时候5G不但兼容4G网络,还会使用非授权或毫米波波段(30GHZ-300GHZ,波长为10mm到1mm)。

GaN材料应用举例

应用举例

描述

场效应晶体管

 

目前随着MBE、MOCVD等外延技术的发展通过生长多种异质结构已成功开发GaN基多种场效应晶体管在航空石油勘探自动化通信等领域必将发挥着不可或缺的重要作用

激光器

GaN是制作从紫外到可见光波段半导体激光器的理想材料。纳米激光器是纳米级的半导体激光发射器,应用于超级计算机芯片、高敏感度生物传感器、通信技术的研发等多个领域。

LED

 

随着LED应用的越来越广泛显示领域要求其有更好额转换效率,恶劣环境中的应用要求其具有较好的稳定性等。GaN作为直接跃迁型半导体材料有禁带宽度大、电子饱和速率高、击穿电场高、热导率高以及物理化学性质稳定等优点,认为是制作LED器件的最佳材料

光探测器

 

SiC金刚石等半导体材料相比,GaN用于紫外光探测器有诸多优势,如较高的量子效率、信号陡峭、噪声低、边带可调整等优势,从而可以很好的提高紫外光探测的灵敏度。GaN基紫外光探测器被广泛应用于空间通讯臭氧监测水银灯消毒监控污染监测激光探测器和火焰传感等方面

 

近年来,国家对第三代半导体材料愈发重视,我国半导体材料市场发展迅速。以碳化硅与氮化镓为主的材料受到更多关注。而采用GaN的微波射频器件目前主要用于军事领域及4G/5G通讯基站应用场景,出于军事安全的考量,国外对高性能的氮化镓器件实行对华禁运。开展GaN研发对于打破国外垄断具有重要的意义。但是目前碳化硅与氮化镓材料和器件方面产业链尚未形成等,这些问题需逐步解决,方可让国产半导体材料屹立于世界顶尖行列。

GaN制备方法总结

氮化镓制备方法总结 1

制备方法

过程简介

优点

缺点

气相法

HVPE法

在一个多温区的热壁反应系统内进行,金属Ga放在850℃的温区,HCl气体从其上方通过。生成的GaCl传送到衬底(1000-1100℃)与NH3反应生成GaN单晶。

工艺简单,生长速率快,实用化程度高,可用于生长大尺寸的GaN;厚层GaN缺陷密度小

无法生长量子阱和超晶格结构

气相传输法

在高温下将Ga通过气相传输到衬底与NH3反应,生成GaN单晶。如果Ga源采用事先制备合成好的GaN,则称为升华法,采用纯Ga作为Ga源,则称为蒸发凝聚法。

升华法:稳定
蒸发凝聚法:生长速率快
气相法设备简单、经济。

升华法:生长速率慢;生长时必须连续供给GaN合成粉。
蒸发凝聚法:不稳定。
气相法生长的GaN晶体质量差,仍有技术问题有待解决。

熔体法

HNPSG
高压氮气溶液法

在极高的N2压力下,使Ga在高温下融入足够多的N2,通过降温或在低温区的ga溶液中实现N过饱和,从而实现GaN单晶生长。该方法采用了很高的温度和N气压力,以增加Ga溶液中N的溶解,并阻止GaN在高温下分解。生长温度一般为1300-1700℃,氮气压力为0.5-2.0Gpa。

单晶质量高。

需要高温高压,对设备要求苛刻,温度、压力的控制非常复杂。目前只能生长出直径10mm左右的薄片状单晶,进一步增大晶体尺寸比较困难。该方法实现商业应用的可能性不大。

助熔剂法/熔盐法

在Ga中掺入一些Na、Li、K、Sn等金属或金属化合物来增加N的溶解度,从而在较低N2压力下实现GaN晶体生长。生长温度一般为600-800℃,氮气压力为6-8Mpa,生长时间200h。

可适当降低压力。

成核密度大,很难生长出大块单晶;生长速率太低,N2压力较高;晶体一般呈黑色。实用化程度低。

氨热法

在高压釜内进行。Ga源采用GaN或Ga,在高压釜中装入液氨及少量的NH4Cl或KNH2作为矿化剂。以Ga作为Ga源,反应很难控制,生长的晶体较小。目前多采用合成的GaN作为Ga源。生长温度一般为400-600℃。压力100-180Mpa。

生长温度低。

生长速率太慢,很难得到高纯度材料,矿化剂以及高压釜造成GaN晶体中出现一些杂质。

提拉法

用石墨籽晶从含Ga熔体中提拉生长。生长温度800-1000℃,压力小于2个大气压。

单晶直径大。可生长出直径20mm的GaN晶锭。

 

氮化镓外延层制备方法总结 2

制备方法

温度/℃

压强

优点

缺点

HVPE

850-1100

10^6

更高的生长速率、质量较高的厚膜

不易生长异质结与多元合金

MBE

650-850

10^-3

突变异质构,可得高In组分

生长速率低

MOCVD

950-1100

10^5-10^6

易控制,均匀性好

生长的In组分较低

原子层外延ALE

500-700

10^-3

突变异质构,可得高In组分

生长速率低,源利用率低

脉冲激光PLD

600-700

10

不发生化学反应,P型掺杂容易

薄膜表面颗粒较多,粗糙

 

GaN粉体材料的合成

波兰科学家在高温1600℃)高压(15-20kbar)下采用金属镓与氮气直接合成了GaN材料。其反应方程式为:

通过GaNH3的化学反应也可实现GaN的合成。生长GaN需要一定的生长温度,且需要一定的NH3分压。其可逆的反应方程式为:

河北利福光电技术有限公司目前已经实现了氮化镓(GaN)粉体的批量生产,可以为客户提供超高纯超细(大于5N,小于1mm)的氮化镓粉体材料。

2 LPO GaN粉体 

3 LPO GaN

此外河北利福光电技术有限公司已开发出氮化稀土,氮化碱土金属,氮化铁,氮化锆,氮化锂,氮化钒,氮化锗,氮化铜和氮化铟等氮化物产品40余种,可为客户定制各种纳米和亚微米级的各类氮化物,可应用于磁性材料,靶材材料,LED荧光粉,锂电池、储能材料和催化剂等领域,另有开发了低成本的氮化铁、氮化镓和氮化铜产品,可以满足大工业生产批量供货的需求。

 

参考文献

1. 氮化镓基材料的合成研究进展彭必先极速5分快三科学院研究生院学报2005.

2. 氮化镓半导体材料的发展现状,陈欣,技术.解析.

3. 半导体材料的华丽家族—氮化镓基材料简介,孙殿照.

4. GaN材料的制备性能及生长机理研究曹玉萍博士学位论文山东师范大学.

5. 氮化镓的合成制备及前景分析童寒轩辽宁化工2011.

6. 射频氮化镓GaN技术及其应用周国强李维庆张一鸣

7. GaN纳米线和薄膜的制备及其特性研究王非硕士学位论文太原理工大学.

8. 氮化镓的物理性质青木昌治固体物理7(11).

作者:河北利福光电技术有限公司 李方


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