GaN优势
作为半导体，GaN与硅相同，但在组成元素和特性上不同，使得其成为更加可靠、加固型电子材料。GaN的特性允许其工作在超过硅五倍的功率和温度应用中。固态照明和移动手机基站用无线数据传输是过去几年GaN产生重大影响的两个例子。太阳能转换器和电动汽车的功率开关器件同样也向GaN技术领域延伸，因为其能够改进效率。“GaN技术的节能效率最终将达到与现有技术相同的水平，但是外形尺寸能够更小，重量更轻。
背景需求
在一个电路设计人员的理想中，优化解决方案将包括不同技术/材料的无缝集成。但该异质集成的概念仍距离实现较远，一个主要的障碍是保证电子材料高品质生长的最佳衬底往往与重要设计目标不兼容，例如低热阻和成本。
为了解决这个问题，NRL的研究人员最近研发出了一个通用技术，能够从成本昂贵的碳化硅（SiC）衬底上释放出Ⅲ-Ⅴ器件，该技术具有潜力形成独立的GaN和氮化铝（AlN）。
核心进展——Nb2N
该成果实现的关键是氮化铌（Nb2N）薄层。它有几项重要的特性：与GaN相近的晶格匹配、与Ⅲ-N生长温度兼容、在GaN、AlN和SiC上有可选择性刻蚀特性。基于标准制造设备，使用Nb2N作为牺牲层，采取简单的处理工艺即能够在完成前道处理和质量筛查后完成Ⅲ-N器件的转移。Nb2N薄晶体材料和GaN的电和物理特性则显著不同。如Nb2N是金属而不是半导体，而且可在低温下变成超导。
研究人员的工作聚焦于β相Nb2N。该金属同素异形体有与SiC、GaN和AlN相同的六边晶体结构。当能够实现β-Nb2N薄膜在SiC上的生长时是一个重大的实验性进展。但更重大的挑战是，Nb2N是否能够与Ⅲ-N器件异质集成，这样它可以增加新的功能，又不会影响后续Ⅲ-N层的材料质量和电性能？幸运地是，它可以做到，研究工作证实，带有高结晶度和电气质量的AlN和GaN异质结构能够生长在Nb2N/SiC薄层上，与直接生长在SiC薄膜上几乎相同。
Nb2N除具有潜力作为一个电极材料外，还具有一个非常有潜力的特性，最终将带来更深远的影响。它能够容易和有选择性地从其他Ⅲ-N材料上移除。使用反应性非等离子气体XeF2，Nb2N能够快速移除。而且在这个过程中，不会对GaN、AlN和大多数通用金属和电介质造成刻蚀。另一种方法，基于硝酸和氢氟酸的选择性湿法化学刻蚀能够移除Nb2N。在任何一种情况下，通过嵌入薄Nb2N层，制造完毕的Ⅲ-N器件能够完整从其衬底上完全分离。
核心进展——外延层剥离技术
研究人员还发明了外延层剥离（ELO）技术，支持Ⅲ-N材料、器件或电路转移到另一个替代性衬底。
技术转移示意图
应用前景
NRL电子科学和技术分部宽禁带材料和器件小组组长David Meyer博士在谈到氮化铌增益时表示：“我们研制出的新方法，它真的很灵活，我们预期有几种应用将受益于该GaN技术在器件或电路级的集成。”
潜在使用从通过衬底复用来改进热管理以减少成本来提升分立器件性能，通过器件级异质集成来获取卓越的混合电路性能。
1、改善射频功放器件的热管理问题
基于GaN的单片微波集成电路（MMIC）在功率密度等性能方面远超传统Ⅲ-V族材料，但峰值结温较高，为避免芯片失效，必须采取降功率措施。研究结果表明，这项技术可实现将GaN MMIC从SiC衬底转移到单晶金刚石衬底上。单晶金刚石热导率比SiC高5倍，因此将大幅改善器件的热管理问题。
2、推动柔性LED显示器的发展
这项技术可将LED从传统硅基衬底转移到玻璃或塑料上，结合光刻技术，将LED阵元间距缩小到像素尺寸，实现柔性LED显示。尤其在深紫外波段，这项技术可去除AlN衬底，避免其吸收LED发出的紫外线，显著提高发光效率。
3、提高电磁频谱利用效率
在无线通信领域，实现智能带宽管理是提高频谱利用效率的重要途径，其关键部件之一是工作在S波段以上的可重构、小型化、高Q滤波器。目前手机内的收发器件通常将数百纳米厚、品质较差的AlN薄膜作为衬底，在这上面制备的体声波（BAW）和轮廓模式谐振（CMR）滤波器的中心频率很难达到GHz。利用这项技术可在Nb2N/SiC模板上生长高晶体质量的AlN薄膜，并将薄膜厚度控制在200nm以下。仿真结果表明，200nm AlN薄膜轮廓模式谐振滤波器频率响应可达17GHz，有望使无线通信频率达到数GHz。
补充信息
该研究由海军研究办公室和国防先期研究计划局（DARPA）提供资金支持。
在20世纪90年代，海军和其他国防机构在GaN技术用于射频无线的基础研究领域投入了大量资金。目前已收到了回报。在过去几年，GaN已经从研究实验室进入实际应用，如已用于空中导弹防御雷达（AMDR）和下一代干扰机。