氮化鎵（GaN）正在重塑半導體行業游戲規則。近日，九峰山實驗室已從材料、器件到產業應用取得一系列突破性成果。
在九峰山實驗室超凈間內，研究中心無線領域首席專家吳暢指著一片8英寸硅基氮極性氮化鎵襯底介紹，實驗室在氮化鎵領域接連取得3項顛覆式創新——全球首創8英寸硅基氮極性氮化鎵襯底、全國首個100nm高性能氮化鎵流片PDK平臺、20米遠距無線傳輸能量技術，未來手機充電“秒充”、電動汽車“邊跑邊充” 、雷達探測“千里眼”等科幻場景正加速照進現實。
“如果說芯片是高樓大廈，材料就是地基。”吳暢用一句話點出這項突破的核心價值。作為第三代化合物半導體材料代表，氮化鎵正在全球范圍內掀起一場產業技術革命：小巧高效的氮化鎵充電器讓手機、筆記本電腦等設備充電速度大幅提升的同時體積變小；憑借其高頻率、高功率和高效率特性，氮化鎵器件還能在無線通信、衛星通信等極端環境下工作，同時提供更大輸出功率和更高能量效率。
氮極性氮化鎵主要應用領域
氮化鎵晶體結構分為‘氮極性’與‘鎵極性’兩種極化類型。其中，氮極性氮化鎵憑借更高頻率、更強功率的特性，被視為毫米波通信、雷達探測等領域的“黃金材料”。然而由于嚴苛的材料生長條件、高度復雜的工藝等瓶頸制約，全球僅少數機構能生產2-4英寸襯底，且成本高昂。
目前，實驗室團隊在襯底尺寸、成本控制、性能及良率提升方面都取得了重大突破。采用硅基襯底后，氮極性氮化鎵可兼容8英寸主流半導體產線設備，使該技術能迅速適配量產工藝，鍵合界面良率超99%，為該材料大規模產業化奠定基礎。據悉，該技術將加速6G基站、自動駕駛雷達等高端器件的國產化進程。
材料突破只是第一步，如何讓芯片設計師像“搭積木”一樣快速開發芯片？九峰山實驗室交出了第二份答卷——國內首個100nm硅基氮化鎵商用工藝設計套（PDK）。PDK（Process Design Kit，工藝設計套件）是半導體制造中不可或缺的工具包，為芯片設計者提供工藝參數、器件模型、設計規則等關鍵信息，快速實現從電路設計到實際制造的轉化，是連接芯片設計與制造的“橋梁”。
九峰山實驗室氮化鎵PDK研發團隊
如果說芯片設計是拼樂高，PDK平臺就像是一套“智能工具包”，將每個基礎模塊加工成設計師想要的形狀，讓芯片更小巧、更精致。目前，這套PDK平臺性能指標已達到國內領先、國際一流水平，可滿足下一代移動通信、商用衛星通信與航天領域、車聯網及工業物聯網、手機終端等多領域需求，推動我國相關領域器件從“進口替代”邁向“技術輸出”。
“過去設計一款氮化鎵芯片，如同閉眼走迷宮。現在有了PDK，我們給設計師配上了導航儀。”吳暢說。舉例而言，如果把芯片設計中使用的EDA工具比作小霸王游戲機，那PDK則是游戲機的“插卡”，讓設計師在氮化鎵領域“開掛”。據介紹，該平臺已在跨代際開發、高性能和低成本方面實現突破：平臺跳過150nm技術節點，直接攻克100nm柵長工藝；通過一系列技術突破使應用終端在功耗和功率密度方面顯著提升；未來可向8寸及以上大尺寸拓展并與CMOS工藝兼容，進一步降低成本。
“氮化鎵的高頻特性就像‘能量激光筆’，能把電能精準‘射’向目標。”展廳內，吳暢正對著一塊大屏講解一套基于自主研發的氮化鎵器件構建的動態遠距微波無線傳能系統，可實現20米范圍內對無人機的動態無線供能。微波無線傳能是一種無線能量傳輸方式，通過電磁波遠距離傳輸能量，在遠程充電、工業4.0、空間太陽能電站系統、通信、物聯網、應急救災裝備能源保障、醫療等領域具有潛在應用價值。
九峰山實驗室微波無線傳能系統，在20米范圍內實現對無人機的動態無線供能示范驗證
未來，停車場、高速公路可埋設充電板，電動汽車“邊行駛邊充電”，無人機無限續航執行救援任務，甚至太空電站向地面傳輸電能都有可能變為現實。\
（來源：中國光谷）
