[原创] 热度不减的氮化镓
2022-01-15
14:00:02
来源: 半导体行业观察
随着基于硅的技术发展逐渐接近极限，以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）等为代表的第三代半导体迎来了爆发风口。其中，SiC和GaN作为目前最为成熟，商业化程度最高的第三代半导体材料自然风头正盛。此前，我们曾在《“拯救”SiC的几大新技术》一文中详细介绍了SiC材料，这次我们来详解下GaN。
氮化镓主要是由人工合成的一种半导体材料，禁带宽度大于2.3eV，也称为宽禁带半导体材料，是研制微电子器件、光电子器件的新型材料。相比“得碳化硅者得天下”，氮化镓就显得低调许多，1969年日本科学家Maruska等人才在蓝宝石衬底表面沉积出了氮化镓薄膜，本世纪初氮化镓进入了飞速发展阶段。2019年，氮化镓作为第三代半导体的主要材料之一首次进入主流消费应用，并在2020年因小米氮化镓充电器而引发关注。
虽然没有碳化硅那么火爆，但氮化镓的吸金程度也毫不逊色。据笔者不完全统计，除了国外的ST、英飞凌和PI等企业一马当先以外，国内的英诺赛科和纳微也发展迅猛，到这也挡不住氮化镓的发展浪潮。
据不完全统计，2021年国内超9家氮化镓相关企业获得了超12轮的融资，其中禹创半导体、镓未来、能华微电子等3家企业都完成了2轮融资，从透露的投资额来看，芯元基完成了逾亿元B轮；南芯半导体完成了近3亿元D轮融资；能华微电子则是完成了数亿元C轮。此外，2021年封测巨头晶方科技入局氮化镓，投资了以色列VisIC Technologies Ltd．，环旭电子也宣布投资氮化镓系统有限公司，加码功率电子战略。
吸金能力的背后，是氮化镓强大的潜力。同为第三代半导体材料，氮化镓时常被人用来与碳化硅作比较，虽然没有碳化硅发展的时间久，但氮化镓依旧凭借着禁带宽度大、击穿电压高、热导率大、饱和电子漂移速度高和抗辐射能力强等特点展现了它的优越性。据Yole Developpement发布的GaN Power 2021报告预期，到2026年GaN功率市场规模预计会达到11亿美元。
说到GaN功率器件，当前人们的第一反应可能就是快充。从小米开局到苹果入局，氮化镓快充市场爆点不断。2021年10月，苹果推出了旗下首款氮化镓技术充电器，并在全球范围内率先支持USB PD3.1快充标准，一举刷新了USB PD充电器单口输出最高功率，达到140W。相比传统硅器件，氮化镓快充能够显著提升充电速度，并降低系统待机状态的电量消耗，在这个万事都离不开手机的时代，完美得满足了人们“充电2分钟，通话两小时”的需求。当然，除了手机以外，平板、游戏机等也将追求轻量化，这也给氮化镓快充带来了不小的市场。
但需要注意的是，氮化镓的应用领域远不止消费电子领域。据普华有策统计，氮化镓通常用于微波射频、电力电子和光电子三大领域，微波射频方向包含了 5G 通信、雷达预警、卫星通讯等；电力电子方向包括了智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费电子等；光电子方向则包括了 LED、激光器、光电探测器等。
而其中，5G 通信与新能源汽车也将成为氮化镓未来重点投入的方向。随着汽车电动化、5G通信、物联网市场的不断增长，在小尺寸封装强大性能的加持下，GaN再次成为关注的焦点。在5G通信领域，GaN可以缩小 5G 天线的尺寸和重量，又能满足严格的热规范，所以适合毫米波领域所需的高频和宽带宽。在目前正热的汽车电子市场，氮化镓也可以将汽车的车载充电器（OBC）、DC-DC转换器做得更小更轻，从而有空间放入更多的锂电池，提升整车续航里程。
Yole更是预测，从2022年开始预计氮化镓以小量渗透到OBC和DC-DC转换器等应用中。因此到2026年，汽车和移动市场价值将超过1.55亿美元，年复合成长率达185%。
毫无疑问，氮化镓已经成为半导体产业的重要发展方向，但不可否认的是，就像碳化硅一样，氮化镓也存在着种种技术难点问题。
笔者通过资料发现，当前氮化镓材料的发展难题主要有以下几个方面。
一是衬底材料问题。衬底与薄膜晶格的相配程度影响GaN 薄膜质量好坏。一方面，在温州大学的一篇《氮化镓的合成制备及前景分析》的论文中提到，目前使用最多的衬底是蓝宝石(Al2O3)，此类材料由于制备简单，价格较低，热稳定性良好，且可以用于生长大尺寸的薄膜而被广泛使用，但是由于其晶格常数和线膨胀系数都与氮化镓相差较大，制备出的氮化镓薄膜可能会存在裂纹等缺陷。另一方面，也有资料显示，由于衬底单晶没有解决，异质外延缺陷密度相当高，而且氮化镓极性太大，难以通过高掺杂来获得较好的金属-半导体的欧姆接触，因此工艺制造较复杂。
二是氮化镓薄膜制备问题。《氮化镓的合成制备及前景分析》中还提到了比较传统的GaN 薄膜制备方法有MOCVD（金属有机物气相沉积法）、MBE 法（分子束外延法）和HVPE（氢化物气相外延法）。其中，采用MOCVD 法制备的产量大，生长周期短，适合用于大批量生产，但生长完毕后需要进行退火处理，最后得到的薄膜可能会存在裂纹，会影响产品的质量；MBE法只能用于一次制备少量的GaN薄膜，尚不能用于大规模生产；HVPE法生成的GaN晶体质量比较好，且在较高的温度下生长速度快，但高温反应对生产设备，生产成本和技术要求都比较高。
三是GaN籽晶获得问题。直接采用氨热方法培育一个两英寸的籽晶需要几年时间，因此如何获得高质量、大尺寸的GaN籽晶也是难题所在。
此外，在2020年semicon taiwan 举办的“策略材料高峰论坛”上，台湾交通大学副校长张翼、台湾工研院电子与光电系统研究所所长吴志毅等也指出，目前氮化镓有2个技术上的难题，其一是以目前生长的基板碳化硅来说，尺寸上尚无法突破6英寸晶圆的大小，同时碳化硅的取得成本较高，导致目前既无法大量生产、价格也压不下来；第二个则是要如何让氮化镓能在硅晶圆上面生长、并且拥有高良率，是业界要突破的技术，如果可以克服并运用现有的基础设施，氮化镓未来的价格跟产量就能有所改善。
由此可见，要想氮化镓产能提升、成本控制并形成完全的产业链，所面对的技术挑战不容小觑。
当然，有难题的地方就会有科研，有科研的地方就会有智慧，有智慧的地方显然也孕育了不少突破性技术。
·中国瑞士联合团队让氮化镓器件性能大幅接近理论极限
南方科技大学电子与电气工程系助理教授马俊团队与瑞士洛桑联邦理工大学（EPFL）和苏州晶湛半导体有限公司合作研发了一种多沟道氮化镓电力电子器件技术，可用于开发高能效的电能转换系统。
相关论文于2021年3月以《用于高效功率转换的多沟道纳米线器件》（Multi-channel nanowire devices for efficient power conversion）为题发表在 Natural Electronics。
多沟道纳米线中的电子传输（图片来源：Natural Electronics）
该技术解决了两个电子器件中基础性、原理性的挑战。第一，怎么降低器件的电阻，但又不损失电子的迁移率。第二，如何在低电阻的情况下实现高击穿电压。据介绍，研究人员通过材料结构的设计和外延工艺的提升，在 100-200 纳米的多沟道内，堆叠了 4 至 5 个导电沟道。此外，从器件设计方面，研究人员使用了原创的三维场板结构，并申请了专利。
·晶湛半导体突破12英寸硅基氮化镓HEMT外延技术
除了上述提到的技术外，晶湛半导体在2021年9月成功将其AlGaN/GaN HEMT外延工艺转移到300mm Si衬底上，同时保持了优异的厚度均匀性和50µm以内的低晶圆翘曲。据了解，这是继2014年成功推出商用200mm GaN-on-Si HV HEMT外延片后，晶湛半导体的又一次突破。垂直电压击穿测量表明，300mm尺寸的晶圆同样适合于200V、650V和1200V功率器件应用。
为解决GaN外延中的晶圆开裂/弯曲和高晶体缺陷等关键问题，晶湛半导体采用了如图（a）所示的外延结构，外延生长从AlN形核层开始，然后是应力弛豫缓冲层、GaN沟道层、AlGaN势垒层和GaN帽层。如图（b）所示，窄的XRD AlN（002）峰和良好的半高宽均匀性表明整个300mm晶圆的晶体质量较高。
·AIST开发全球首颗GaN HEMT与 SiC SBD的集成单芯片原型
12月12日，日本先进工业科学技术研究所（AIST）宣布，成功开发了全球首颗GaN HEMT与 SiC SBD的集成单芯片原型。据介绍，为解决GaN HEMT的可靠性问题，AIST进行了混合晶体管的研究和开发,在同一衬底上，将GaN晶体管和SiC二极管集成在一起（即单片化）。
而开发氮化镓和碳化硅的混合晶体管，需要建设开发氮化镓和碳化硅集成器件原型的环境，所以AIST扩建了一条SiC功率器件的4英寸原型线，将其作为SiC和GaN的共享原型线，并用于开发混合晶体管原型。
纳微半导体于去年10月上市，11月就推出了新一代采用GaNSense技术的智能GaNFast氮化镓功率芯片。
据悉，GaNSense技术集成了对系统参数的实时、准确和快速感应，包括电流和温度的感知。与前几代产品相比，GaNSense 技术可额外提高10%的节能效果，并能够进一步减少外部元件数量，缩小系统的尺寸。
此外，凭借业界最严格的电流测量精度和GaNFast响应时间，GaNSense技术缩短50%的危险时间，危险的过电流峰值降低50%。
总的来说，虽然氮化镓制备以及功率器件产品都还存在着不足，但业界也提出了相应的技术方案进行解决，随着技术发展不断推陈出新以及GaN半导体的可靠性得到证实，未来氮化镓也将有望成为引爆第三代半导体的商机。
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