GaN重大突破！湖北这个实验室公布三大研究成果

电子发烧友网综合报道 3月22日，九峰山实验室首次公布了GaN相关的研究成果，包括国际首创8英寸硅基氮极性氮化镓衬底（N-polar GaNOI）；全国首个100nm高性能氮化镓流片PDK平台；动态远距离无人终端无线能量传输完成示范验证。成果覆盖了GaN产业链的上下游，包括材料、器件设计、应用。
 
九峰山实验室成立于2021年，是湖北省级实验室，聚焦化合物半导体的研发与创新，目标是打造全球化合物半导体的平台、技术和产业的“灯塔”。实验室总投资82亿元，建有国内领先、全球一流的量产级研发平台，并在中国光谷建立了先进的化合物半导体研发基地。
 
同时拥有以应用为导向的基础研究平台，包括产研协同、鼓励创新、中立开放的实验室运营机制；来自超过全球10个国家的100余名顶尖科学家及技术专家组成的科研团队；由世界领先的行业合作伙伴和全球学术网络组成的生态系统。
 
那么这次九峰山实验室公布的研究成果，首先是国际首创8英寸硅基氮极性氮化镓衬底。
 
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。作为高频通信与雷达探测的关键半导体材料，氮极性氮化镓已成为国际科研界深入探索的焦点。然而由于严苛的材料生长条件、高度复杂的工艺等瓶颈制约，目前国际上仅有少数机构可小批量生产2-4英寸氮极性氮化镓高电子迁移率衬底材料，且成本昂贵。
 
九峰山实验室科研团队在全球首次实现8英寸硅基氮极性氮化镓（N-polar GaNOI）高电子迁移率材料的制备，在成本、性能、良率方面都获得了突破。
 
在成本控制方面，九峰山实验室采用硅基衬底，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；材料性能与可靠性兼顾；良率方面，键合界面良率超 99%，有助实现材料的大规模产业化。
 
在氮化镓器件设计端，九峰山实验室推出了国内首个、全球第二个100 nm硅基氮化镓商用工艺设计套件（PDK），性能指标达到国内领先、国际一流水平。
 
PDK是半导体制造中不可或缺的工具包。它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“桥梁”。所以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。
 
九峰山推出的100 nm硅基氮化镓PDK，主要优势有三点：
 

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改善。

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。

 
而在应用端，九峰山实验室基于自主研发的氮化镓器件，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，利用自主研发的高性能GaN SBD，以及创新性提出“动态匹配+高精定位”双模控制策略，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。