氮化镓MOS管的研究背景和研究意义
当前，GaN半导体材料的应用领域主要有半导体照明、电力电子器件、激光器与探测器等。此外，在太阳能电池、生物传感器等新兴领域亦有应用，但是目前仍处于实验室研发阶段。 1.1半导体照明
半导体照明行业是GaN当前主流应用领域中发展最为迅速的，产业规模超百亿美元。从材料体系划分上看，半导体照明行业主要用到蓝宝石基氮化镓（GaN on Sapphire）、SiC基氮化镓（GaN on SiC）和Si基氮化镓（GaN on Si）3种材料体系，分别对应不同的产品应用。其中，最成熟的是GaN on Sapphire体系，应用于大部分LED照明。GaN on SiC散热效果较好，适用于低能耗、大功率的照明器件，但是较高的制造成本制约了其进一步推广与运用。GaN on Si具有较大的成本优势，提高散热表现，因此GaN on SiLED技术也是业界一直关注的方向。
1.2电力电子器件
GaN在电力电子领域的应用仍处于起步阶段，市场规模仅为数亿美元。其应用主要集中在军事通讯、电子干扰、雷达等军用领域。在民用领域，主要应用于通讯、功率器件等领域。从材料体系上看，GaN on Si器件主要的应用于笔记本、高性能服务器、的开关电源等200～1200V的中低压领域；而GaN on SiC则集中在大于1200V的高压领域，如太阳能发电、新能源汽车、高铁运输、智能电网的逆变器等器件。作为实现5G的关键材料，GaN器件的市场份额有望在5G时代迎来较快增长。此外，GaN充电器具有体积小、质量轻、转换效率高、发热低、安全性强等优点，并随着全球智能设备销售量的快速增长，将带动GaN充电器快速占领快充市场。
1.3激光器和探测器
在激光器和探测器应用领域，GaN基激光器的频谱覆盖范围广，可实现蓝、绿、紫外激光器和紫外探测的制造。紫激光器可用于制造数据存储盘空间比蓝光光盘高出20倍的大容量光盘。除此之外，紫激光器还可用于医疗消毒、紫外固化、荧光激励光源等应用。蓝激光器可以和现有的红激光器、倍频全固化绿激光器一起，实现全真彩显示，进一步推进激光电视的应用。GaN基紫外探测器在抗干扰、抗恶劣环境、高灵敏度方面具有得天独厚的优
势，可用于高速飞行物预警、核辐射监测、化学生物探测等领域，但离产业化仍有一定距离。
2基于文献计量的GaN半导体材料研发态势分析
在科学网（WebofScience）中的科学引文索引扩展板（SCI Expand）数据库对GaN半导体材料相关论文进行检索，共检索到相关论文54007篇。
对1990 2020年间氮化镓半导体材料SCI论文的发文量进行分析（图1所示），可见从1990 2020年间，GaN半导体材料的年度发文量逐年上升。其中，在1993 1999年间和2018 2020年间，发文量增速较快，到2020年，相关研究论文数量达3314篇。年度发文量的持续上升，表明GaN持续受到较高的关注。
分析论文通讯地址所在国家和地区，并根据发文量进行排序，结果如图2所示。从发文国家和地区上看，美国、中国、日本、韩国和我国台湾地区发文量排名前5，其中中国和美国的发文量相近，约一万篇，领先排名第3的日本较多。可见我国在GaN半导体材料领域的研究虽然较发达国家/地区晚，但目前在GaN半导体材料领域的基础研究已具有较多技术储备。
进一步对相关论文的发文通讯单位进行分析，前10名如表1所示。中国大陆3所机构发文量进入全球前10，分别为中国科学院、北京大学、西安电子科技大学，其中以中国科学院为通讯机构的文章主要来自中科院半导体研究所；我国台湾地区成功大学、台湾交通大学发文量分别排名第3和第4；国外加州圣巴巴拉分校、俄罗斯科学院、韩国全北国立大学等高校或科研院所发文较多。对相关论文的关键词进行分析，如表2所示。在制备方法上，金属有机化学气相沉积（MOCVD）、分子束外延（Molecularbeamepitaxy）和金属有机气相外延（MOVPE）等关键词出现频次较高，表明外延工艺是研究人员的主要关注点；在应用方面，LED和高电子迁移率晶体管（HEMT）出现频次较高；此外，GaN纳米线、缺陷、掺杂也是研究人员关注的热点。
在Incopat专利分析平台对GaN半导体材料相关专利进行检索和分析，从专利分布的角度了解当前块体纳米晶金属材料的应用现状及前景。截至检索日期，共检索到PCT专利2401件，中国有效专利5021件。
3.1GaN半导体材料专利总体情况
从图3可见，2000 2019年间，全球GaN半导体材料领域的PCT专利数量呈缓慢上升，而我国虽然在该领域起步较晚，但中国有效专利数量在近15年间增长迅速，表明我国在这段时间在本领域的研发投入较大，目前已具有一定数量的技术储备。
进一步分析PCT专利及我国有效专利的来源，结果见表3和表4。可见在GaN领域，全球PCT专利主要来自于日本、美国、中国、韩国和欧盟等国家和地区，其中日本、美国、欧盟在专利数量上优势明显。从专利数量看，前10申请人均来自于日本和美国，占据全球PCT专利26.28%；从申请人类型看，前10申请人中有9个为企业，仅有加州大学申请人类型为高校，可见PCT专利主要来源于企业。
从国内有效专利上看，当前我国有效专利主要来自于广东、江苏、北京等省市，67.28%的专利申请人为企业，33.28%的专利申请人为大专院校和科研单位，而前10申请人主要为高校或科研院所，西安电子科技大学、华南理工大学、中国科学院半导体研究所等机构有效专利数量排名前列。华灿光电股份有限公司、湘能华磊光电股份有限公司2家企业分别排名第1和第3，这2家企业均为LED照明领域企业。其中，华灿光电股份有限公司是目前国内第2大LED芯片供应商；湘能华磊光电股份有限公司是湖南省唯一1家LED外延、芯片、应用产品
全产业链企业，目前已形成了年产GaN基外延片和芯片600万片的生产能力，公司外延片和芯片生产规模位居全国前列。
3.2产业链与应用视角的GaN专利分布情况
从产业链（单晶衬底→材料外延→器件设计与制造）和应用（半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器）角度对当前我国有效专利进行分析，结果如图4和图5所示。
从产业链视角看，专利主要集中在GaN单晶衬底，占比达44%；其次是材料外延，占比31%。从应用层面看，专利大部分集中在半导体照明领域，占比达71%，可见半导体照明仍然是当前GaN半导体材料的主要应用领域，并且有效专利数量在2007 2016年间增长迅速；电力电子器件领域的有效专利数量在2013年之后，较之前有较快的增长；激光器和探测器领域的有效专利数量虽然在2014年之后有一定增长，但总体数量较少。
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