氮化镓（GaN）及其宽禁带半导体同类——碳化硅（SiC）——已经在开始颠覆电力电子技术。然而，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，这主要是因为GaN是一种非常不完美的晶体。
因此，科学家和工程师克服了重重困难，才使GaN首先可用于LED和RF设计，然后再将其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。本文将介绍GaN技术的起源，让我们来先睹为快。
镓（Ga）的存在最早由德米特里·门捷列夫（Dmitri Mendeleev）于1871年所预测到；几年后，在1875年，它又被巴黎的保罗·埃米尔·勒科克·德布瓦博德兰（Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran）所发现。下一个突破则出现在57年以后，当时第一种多晶GaN材料是通过使氨（NH3）流过液态镓所合成的。
1932年，研究人员在George Herbert Jones实验室，将金属镓和氨在900℃至1,000℃的高温下进行反应，合成了GaN材料。37年后，在1969年，H.P. Maruska和J.J. Tietjen对GaN单晶薄膜的生长进行了报道。他们首次利用氢化物气相外延（HVPE）工艺在蓝宝石衬底上沉积出了GaN。
图1：Maruska和他的团队于1969年开发出单晶GaN层。图片来源：Science Direct
几年后，即1972年，J.I. Pankove、E.A. Miller和J.E. Berkeyheiser开发了一种基于GaN的蓝光探测器。然而，虽然它能在室温下发出蓝色光，但它的电源效率却很低。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两种技术现在都被用于制造GaN器件，具体取决于应用。
如上所述，基于GaN的LED于1972年首次利用掺有镁的GaN进行了开发——这种化合物可以以LED形式发出蓝光。然而，虽然这是首批能够发出蓝紫色光的LED，但其最初的亮度不足以用于商业用途。
1991年，时任日本日亚化学工业株式会社研究员的Shuji Nakamura和他在名古屋大学的两位同事Isamu Akasaki和Hiroshi Amano，对一种基于GaN生产高亮度蓝光LED的方法申请了专利。两年后，即1993年，他们展示了这种高亮度蓝光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）——但当时还没有制造蓝光LED的实用技术。蓝光LED成为了RGB LED问世的最终要素，并最终为白光LED和变色LED铺平了道路。
高亮度蓝光LED的商用化，成为了电子行业的转折点。它首先引起了照明应用的复兴——在此，蓝光LED成为了固态照明的先驱，并开始取代了低效的白炽灯和阴极射线管（CRT）电视和显示器。
图2：三位蓝光LED先驱为全彩LED和蓝光激光技术铺平了道路，并因此获得了诺贝尔奖。
随后，基于GaN的蓝光LED技术，在蓝光光盘的开发中发挥了重要作用，这使它取代DVD成为了视觉媒体数据存储的默认方法。毕竟，蓝光起着特殊作用。因此，蓝光LED的先驱Akasaki、Amano和Nakamura因其在GaN和固态照明和数据存储方面所做工作的巨大影响力而获得了2014年诺贝尔物理学奖。
2004年，日本的优迪那半导体（Eudyna Devices）面向射频应用以耗尽型晶体管的形式推出了基于GaN的高电子迁移率晶体管（HEMT）。这种HEMT结构基于Takashi Mimura及其团队于1975年所首先描述的现象制作。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，也即在AlGaN和GaN异质结构界面之间的界面附近的二维电子气（2DEG）。
Khan的团队还展示了首个通过MOCVD所生长出的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了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、大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着至关重要的作用。
Eudyna对这项工作进行了货币化，以便产生出数千兆赫兹频率范围内的基准功率增益。一年后，即2005年，Nitronex公司基于在硅晶圆上生长GaN的制作方法，推出了首个耗尽型RF HEMT晶体管。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晶体管却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技术在标准硅晶圆的氮化铝（AlN）层上生长出一层薄薄的GaN——其中材料层是通过对释放到腔室中的气体之间进行高度受控的化学反应所产生的。AIN层充当着衬底和GaN之间的缓冲层。
图3：在标准硅晶圆之上构建的GaN FET，能像硅MOSFET一样保持成本，但却能提供卓越的电气性能。（图片来源：EPC）
2009年，宜普电源转换公司（EPC）这家初创公司推出了首款专门设计用于替代功率MOSFET的基于硅晶圆的增强型GaN。这些场效应晶体管（FET）为使用标准硅片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到了竞争当中，并开始开发他们自己的GaN器件版本。
增强型GaN晶体管设计的目的，是为了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。在它们诞生之后，GaN功率IC的工作就开始了，也即将GaN FET、基于GaN的驱动电路和电路保护单片集成到单个表贴器件当中。
这种集成所得到的栅极驱动回路阻抗基本为零，于是通过将FET的关断损耗几乎消除而提高了效率。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年进行了展示。
然后，在2016年，位于美国加利福尼亚州马里布的HRL实验室，展示了一种GaN功率IC，它以低成本实现了GaN电子技术的全部优势。这里值得一提的是，纳微半导体（Navitas Semiconductor）这家领先的GaN厂商，于2013年在HRL停车场的拖车上成立。次年，该公司联合创始人兼前HRL高管Gene Sheridan和Dan Kinzer从HRL获得了GaN电力电子技术的许可。
最后，商用GaN功率IC的生产则始于2018年。
（原文刊登于EDN美国版，参考链接：A brief history of gallium nitride (GaN) semiconductors，由Franklin Zhao编译。）
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