前言
現階段,提到氮化鎵,你可能會首先想到快充適配器、5G通信基站等電源系統內置的GaNFET,或者高亮度LED。然而,氮化鎵的故事遠不止現階段應用那么簡單。從最初化學元素的發現,到GaN的首次合成,再到如今的高功率器件和工業化生產,這一百多年的發展凝聚了無數科學家和工程師的智慧。
每一次技術突破都為下一步創新鋪平道路,氮化鎵百余年發展歷程中有無數專家、學者以及科學家推動產業發展歷程。為此充電頭網整理了氮化鎵這一材料的百年發展史,看有哪些人物值得我們銘記。
氮化鎵百年發展名人堂
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充電頭網了解到,在以往百余年時間里由上述各領域專家、學者以及科學家共同推動了氮化鎵的發展進程。
Daniel Rutherford丹尼爾·盧瑟福
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丹尼爾·盧瑟福是氮元素(Nitrogen)的發現者。1772年盧瑟福重復布拉克當年的煅燒石灰石實驗,發現一種不能維持生命,也不助燃燒,也不溶于苛性堿的穩定氣體,并命名為“濁氣”,這是人類歷史上首次發現氮元素,并對其命名。
Dmitri Mendeleev德米特里·門捷列夫
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門捷列夫對于化學這一學科的最大貢獻在于創建了元素周期表,并總結出元素的性質隨著相對原子原子量的遞增而呈周期性的變化,即元素周期律。門捷列夫根據元素周期律編制了第一個元素周期表,把已經發現的63種元素全部列入表里,從而初步完成了使元素系統化的任務。他還在表中留下空位,預言了類似硼、鋁、硅的未知元素的性質(即后續發現的鈧、鎵、鍺),并指出當時測定的某些元素原子量的數值有錯誤。而他在周期表中也沒有機械地完全按照原子量數值的順序排列。若干年后,他的預言都得到了證實。門捷列夫工作的成功,引起了科學界的震動。人們為了紀念他的功績,就把元素周期律和周期表稱為門捷列夫元素周期律和門捷列夫元素周期表。
Paul émile Lecoq de Boisbaudran保羅·埃米爾·勒科克·德·布瓦博德蘭
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1874年從鋅礦中分離出鎵元素,其物理性質驗證了門捷列夫對“類鋁”的預言,成為首個填補周期表空缺的元素。鎵的拉丁語命名“Gallium”既指法國古稱“高盧”,亦被推測與其姓氏“Lecoq”相關。其光譜分析法革新了元素發現的技術路徑,與基爾霍夫、本生等光譜學先驅齊名 。在鎵元素研究中,曾因密度數據爭議與門捷列夫交鋒,最終實驗修正后證實理論與實踐的契合。
W.C. 約翰遜(W.C. Johnson)、J.B. 帕森斯(J.B. Parsons)與M.C.克魯(M.C. Crew)
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氮化鎵的歷史可以追溯到1932 年。當年,W.C. 約翰遜(W.C. Johnson)、J.B. 帕森斯(J.B. Parsons)與M.C.克魯(M.C. Crew) 在美國通用電氣實驗室首次通過高溫固相反應法成功制備出氮化鎵,這也是人類歷史上第一次獲得GaN材料的紀錄。他們團隊采用氨氣與金屬鎵在高溫條件下反應的方式,制得了早期形態的氮化鎵固體,為后續氮化鎵半導體的發展奠定了重要基礎。
H.P. 馬魯斯卡(H.P. Maruska)和J.J. 蒂杰恩(J.J. Tietjen)
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H.P. 馬魯斯卡(H.P. Maruska)與J.J. 蒂杰恩(J.J. Tietjen)于1969年在貝爾實驗室(Bell Labs)首次成功在藍寶石(sapphire)襯底上外延生長出高質量的氮化鎵(GaN)單晶薄膜。他們采用 金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)前身的氫化物氣相外延 HVPE 技術,解決了當時 GaN 難以成核、難以沉積的技術瓶頸,為后續 GaN 藍光 LED、激光器與功率器件的發展奠定了基礎。
Isamu Akasaki赤崎勇、Hiroshi Amano天野浩、Shuji Nakamura中村修二
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赤崎勇、天野浩和中村修二三位科學家陸續通過發展高質量氮化鎵外延生長和摻雜技術,使得高亮度藍光 LED 的實現成為可能,從而徹底改變了照明與顯示技術的面貌。三人因此因發明高亮度藍色發光二極管,并由此實現白光照明而共同獲得了2014年諾貝爾物理學獎。
Russell Dupuis羅素·杜普利
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Russell Dupuis羅素·杜普利被廣泛認為是現代MOCVD技術在化合物半導體尤其是GaAs和GaN器件應用中的奠基人之一。他在20世紀70年代就開始用MOCVD生長高質量GaAs外延層,并開發了MOCVD工藝優化,使其成為工業化可行的手段。
Muhammad Asif Khan穆罕默德·阿西夫·汗
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穆罕默德·阿西夫·汗是氮化物半導體領域的重要科學家之一,他在1990年代率先推動了GaN、AlGaN等寬禁帶材料在高頻、高功率電子器件中的應用研究。他所在的團隊成功制備了早期的 氮化鎵金屬半導體場效應管(GaN MESFET),這是氮化鎵功率電子器件發展史上的關鍵一步。
GaN MESFET的實現驗證了氮化鎵材料在高溫、高電壓與高頻領域的巨大潛力,為后來更先進的HEMT和氮化鎵器件奠定了技術基礎。
Heyue郝躍
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郝躍院士長期從事新型寬禁帶半導體材料和器件、微納米半導體器件與高可靠集成電路等方面的科學研究與人才培養。在氮化鎵/碳化硅第三代(寬禁帶)半導體功能材料和微波器件、半導體短波長光電材料與器件研究和推廣微納米CMOS器件可靠性與失效機理研究等方面取得了系統的創新成果。郝躍院士是中國寬禁帶半導體領域的重要推動者。他帶領團隊多年在GaN及SiC器件上持續突破。
充電頭網總結
百余年來,氮化鎵的發展離不開全球科學家的不斷探索與創新。從基礎科學的奠基者門捷列夫、盧瑟福和布瓦博德蘭,到GaN合成與單晶薄膜外延的先驅,再到高亮度藍光LED、GaN MESFET及現代MOCVD工藝的發展者,每一位科學家都在推動GaN材料從實驗室走向產業化的道路上留下了不可磨滅的印記。如今,氮化鎵已成為高效電源、照明顯示、通信及工業電子不可或缺的核心材料,其潛力還在逐步釋放。
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