摘要：半导体产业网获悉：近日，九峰山实验室GaN系列成果首次重磅发布！在颠覆性材料、器件及设计创新、系统级应用创新方面，重磅发布国际首创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
半导体产业网获悉：近日，九峰山实验室GaN系列成果首次重磅发布！在颠覆性材料、器件及设计创新、系统级应用创新方面，重磅发布国际首创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。
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。你或许已在消费电子产品里见过它。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。
GaN器件应用场景，图源网络
尽管前景广阔，GaN的广泛应用仍面临一系列挑战。我们需要产业链上下游充分合力，通过一系列技术创新和规模化生产来释放GaN的全部潜力。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。它们分别是：
九峰山实验室GaN系列成果一：
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）
近日，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。该成果将助力射频前端等系统级芯片在频率、效率、集成度等方面越级提升，为下一代通信、自动驾驶、雷达探测、微波能量传输等前沿技术发展提供有力支撑。
九峰山实验室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。
(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。
氮极性氮化镓主要应用领域
#产业应用解读：
氮极性氮化镓材料在高频段（如毫米波频段）的性能非常出色，这对于需要高频操作的领域来说十分重要，5G/6G通信、卫星通信、雷达系统等领域都有望从中获益。
氮极性氮化镓器件在无线通讯系统的应用
一旦突破量产技术临界点，氮极性氮化镓材料将在以上领域开辟新的应用场景，对产业发展起到革新性推动作用。所以氮极性氮化镓已成为国际科研界争相深入探索的焦点材料。
九峰山实验室GaN系列成果二：
器件及设计创新——全国首个100nm高性能氮化镓流片PDK平台
近日，九峰山实验室发布国内首个100 nm硅基氮化镓商用工艺设计套（PDK），性能指标达到国内领先、国际一流水平。作为全球第二个、国内首个商用方案，其技术指标可支撑高通量Ku/Ka频段低轨卫星通信，能够满足下一代移动通信、商用卫星通信与航天领域、车联网及工业物联网、手机终端等多领域对高频、高功率、高效率氮化镓器件的需求，推动我国相关领域器件从“进口替代”迈向“技术输出”。
PDK（Process Design Kit，工艺设计套件）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”。近年来，随着人们对高速率、低延迟通信需求的急剧增长，通信技术正经历着快速迭代。在这一背景下，市场对高性能氮化镓（GaN）器件的需求显著提升。其中硅基氮化镓（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：
01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。
02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。
03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。
#产业应用解读
近两年，随着“手机直连卫星”功能在国产手机上的陆续实现，卫星通信逐渐走入大众生活，让更多人体验到了其便利性。而硅基氮化镓技术在低轨商用卫星上的应用则完美契合人们对高速率、低延迟通信的预期。不止是卫星通信，氮化镓器件在5G/6G通信、自动驾驶、车联网、物联网、智慧城市、航空航天领域都将扮演越来越重要的作用。一款具有知识产权的、功能强大的PDK设计套件为氮化镓器件的大规模市场化应用打牢了基础。
九峰山实验室GaN系列成果三：
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
近日，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。
九峰山实验室微波无线传能系统，在20米范围内实现对无人机的动态无线供能示范验证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。
#产业应用解读：
人类对能量自由传输的追逐，贯穿着整个文明进程。早在19世纪末，著名科学家特斯拉就提出了无线电能传输的构想。历经一个多世纪的材料革新与理论突破，微波无线传能技术可实现动态远距的能量输运，这项技术有望改变电力的使用方式，让电能传输像手机通信一样摆脱线路束缚。无线传能技术的应用范围广泛，包括但不限于以下几个方面：
01智慧城市——续航跃升
低空经济领域，电网巡检无人机可沿输电网络自主巡航，通过微波供能网实时补能，实现输电线路的连续监测。城市物流无人机群依托楼宇顶部的无线充电节点网络，构建覆盖城乡的空中运输通道，摆脱地面补能站的近距离充电限制。此类系统能同步完成高压线故障定位、物资定点投放等复合型任务，推动城市基础设施智能化升级。
02智能仓储——无人运维
物流中心通过嵌入无线供电系统，支持AGV运输车、机械臂与监控设备的全天候运作。仓储机器人可在货架间自由穿梭时持续获能，消除传统充电桩占位问题。温湿度传感器与安防设备依托分布式供电网络运行，减少设备维护频次。这种无接触式供能方案可实现设备的全自动工作与能源获取，显著减少运维人力的投入。
03智能家居——无感交互
在智能家居领域，微波供能可建立全域覆盖的能量传输体系，确保各类电子设备在移动中持续获得电能补给。智能手表、电脑等能在任意位置实现无感充电，大型家电如电视、音响摆脱传统电源接口束缚。依托微波无线传能技术，使温湿度传感器、空气质量检测模块形成无电池化的监测网络。
04智能工厂——全时驱动
工业4.0场景中，工厂机器人可脱离传统充电桩限制，通过车间顶部的无线供电网络同步充电；工业传感器群组无需定期更换电池，大幅降低设备维护成本。服务机器人领域，医药配送机器人可穿梭于各楼层自主充电，药械运输响应速度提升，日均服务时长延长，推动无人化服务全面普及。
05智能医疗——无创功能
医疗设备革命迎来新突破，心脏起搏器、神经刺激器等装置可通过植入式装置无线充电。通过开发微波无线供能系统，可穿透人体组织为深层植入设备持续供能。病房监护设备群组构建起无缆化监测网络，各类生命体征传感器在病床周边自由部署，为危重患者创造更安全的医疗环境。
释放化合物半导体的全部潜力，需要持续性创新、需要成熟完备的生态系统支持、需要强有力的产业驱动。九峰山实验室将继续保持产业敏锐度，以领先的技术创新能力，与合作伙伴一起持续推动化合物半导体行业的进步，探索化合物半导体改变未来的无限可能性。
来源：芯世界
