国际首创！九峰山实验室8英寸GaN衬底材料新突破

MEMS 2025-03-27 00:02 92浏览 0评论 0点赞

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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。

小巧高效的GaN充电器让手机、笔记本电脑等设备充电速度大幅提升的同时体积变小。这只是它释放潜力的众多场景之一。凭借其高频率、高功率和高效率的特性，GaN正在成为众多行业的“游戏规则改变者”。GaN器件能在极端环境、在更高的频率范围下工作，同时提供更大的输出功率和更高的能量效率，已成为无线通信、卫星通信、雷达与导航、智慧医疗、物联网等高端应用发展的核心驱动力，正在达到规模化应用的临界点。

九峰山实验室成立之初就已超前布局以氮化镓材料为核心的研究，现已全方位从材料、器件到产业应用取得一系列突破性成果。

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）

氮化镓晶体结构的极性方向对器件性能和应用有着重要影响，根据晶体生长的极性方向，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。已有研究表明，在高频、高功率器件等领域，氮极性氮化镓比传统的镓极性氮化镓技术优势更明显。

(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

九峰山实验室此技术成果，是全球首次在8英寸硅衬底上实现氮极性氮化镓高电子迁移率功能材料（N-polar GaNOI）制备，打破了国际技术垄断。其主要突破体现在以下三个方面：一是成本控制，采用硅基衬底，兼容8英寸主流半导体产线设备，深度集成硅基CMOS工艺，使该技术能迅速适配量产工艺；二是材料性能提升，材料性能与可靠性兼具；三是良率提升，键合界面良率超 99%。以上突破为该材料大规模产业化奠定了重要基础。

2、器件及设计创新

全国首个100nm高性能氮化镓流片PDK平台

九峰山实验室氮化镓PDK研发团队

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100 nm硅基氮化镓商用工艺设计套（PDK），已获得多项自主知识产权。其核心技术优势体现在：

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150 nm以下节点，采用100 nm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寸及以上大尺寸拓展，与CMOS工艺兼容，实现成本的进一步降低。

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，成功构建起动态远距微波无线传能系统，并在20米范围内实现对无人机的动态无线供能示范验证。该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难题，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无线能量传输方式，它通过电磁波远距离传输能量，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、医疗等领域。

此前，微波无线传能技术系统传输效率低，亟须开发高效率的收端模块、发端模块和天线技术。九峰山实验室成功实现高性能GaN SBD（肖特基势垒二极管）器件的自主研发，创新性提出"动态匹配+高精定位"双模控制策略，完成动态无线充电示范验证，形成多项发明专利集群，实现全链条自主创新，形成“器件升级-技术革新-国际引领”的链式效应。

延伸阅读：

《氮化镓（GaN）电子专利全景分析-2023版》
《碳化硅（SiC）专利全景分析-2024版》