隨著基于硅的技術(shù)發(fā)展逐漸接近極限，以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN）等為代表的第三代半導(dǎo)體迎來了爆發(fā)風(fēng)口。其中，SiC和GaN作為目前最為成熟，商業(yè)化程度最高的第三代半導(dǎo)體材料自然風(fēng)頭正盛。此前，我們曾在《“拯救”SiC的幾大新技術(shù)》一文中詳細(xì)介紹了SiC材料，這次我們來詳解下GaN。

氮化鎵主要是由人工合成的一種半導(dǎo)體材料，禁帶寬度大于2.3eV，也稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料，是研制微電子器件、光電子器件的新型材料。相比“得碳化硅者得天下”，氮化鎵就顯得低調(diào)許多，1969年日本科學(xué)家Maruska等人才在藍(lán)寶石襯底表面沉積出了氮化鎵薄膜，本世紀(jì)初氮化鎵進(jìn)入了飛速發(fā)展階段。2019年，氮化鎵作為第三代半導(dǎo)體的主要材料之一首次進(jìn)入主流消費應(yīng)用，并在2020年因小米氮化鎵充電器而引發(fā)關(guān)注。

低調(diào)卻“吸金”

雖然沒有碳化硅那么火爆，但氮化鎵的吸金程度也毫不遜色。據(jù)筆者不完全統(tǒng)計，除了國外的ST、英飛凌和PI等企業(yè)一馬當(dāng)先以外，國內(nèi)的英諾賽科和納微也發(fā)展迅猛，到這也擋不住氮化鎵的發(fā)展浪潮。

據(jù)不完全統(tǒng)計，2021年國內(nèi)超9家氮化鎵相關(guān)企業(yè)獲得了超12輪的融資，其中禹創(chuàng)半導(dǎo)體、鎵未來、能華微電子等3家企業(yè)都完成了2輪融資，從透露的投資額來看，芯元基完成了逾億元B輪；南芯半導(dǎo)體完成了近3億元D輪融資；能華微電子則是完成了數(shù)億元C輪。此外，2021年封測巨頭晶方科技入局氮化鎵，投資了以色列VisIC Technologies Ltd．，環(huán)旭電子也宣布投資氮化鎵系統(tǒng)有限公司，加碼功率電子戰(zhàn)略。

吸金能力的背后，是氮化鎵強大的潛力。同為第三代半導(dǎo)體材料，氮化鎵時常被人用來與碳化硅作比較，雖然沒有碳化硅發(fā)展的時間久，但氮化鎵依舊憑借著禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導(dǎo)率大、飽和電子漂移速度高和抗輻射能力強等特點展現(xiàn)了它的優(yōu)越性。據(jù)Yole Developpement發(fā)布的GaN Power 2021報告預(yù)期，到2026年GaN功率市場規(guī)模預(yù)計會達(dá)到11億美元。

說到GaN功率器件，當(dāng)前人們的第一反應(yīng)可能就是快充。從小米開局到蘋果入局，氮化鎵快充市場爆點不斷。2021年10月，蘋果推出了旗下首款氮化鎵技術(shù)充電器，并在全球范圍內(nèi)率先支持USB PD3.1快充標(biāo)準(zhǔn)，一舉刷新了USB PD充電器單口輸出最高功率，達(dá)到140W。相比傳統(tǒng)硅器件，氮化鎵快充能夠顯著提升充電速度，并降低系統(tǒng)待機(jī)狀態(tài)的電量消耗，在這個萬事都離不開手機(jī)的時代，完美得滿足了人們“充電2分鐘，通話兩小時”的需求。當(dāng)然，除了手機(jī)以外，平板、游戲機(jī)等也將追求輕量化，這也給氮化鎵快充帶來了不小的市場。

但需要注意的是，氮化鎵的應(yīng)用領(lǐng)域遠(yuǎn)不止消費電子領(lǐng)域。據(jù)普華有策統(tǒng)計，氮化鎵通常用于微波射頻、電力電子和光電子三大領(lǐng)域，微波射頻方向包含了 5G 通信、雷達(dá)預(yù)警、衛(wèi)星通訊等；電力電子方向包括了智能電網(wǎng)、高速軌道交通、新能源汽車、消費電子等；光電子方向則包括了 LED、激光器、光電探測器等。

而其中，5G 通信與新能源汽車也將成為氮化鎵未來重點投入的方向。隨著汽車電動化、5G通信、物聯(lián)網(wǎng)市場的不斷增長，在小尺寸封裝強大性能的加持下，GaN再次成為關(guān)注的焦點。在5G通信領(lǐng)域，GaN可以縮小 5G 天線的尺寸和重量，又能滿足嚴(yán)格的熱規(guī)范，所以適合毫米波領(lǐng)域所需的高頻和寬帶寬。在目前正熱的汽車電子市場，氮化鎵也可以將汽車的車載充電器（OBC）、DC-DC轉(zhuǎn)換器做得更小更輕，從而有空間放入更多的鋰電池，提升整車?yán)m(xù)航里程。

Yole更是預(yù)測，從2022年開始預(yù)計氮化鎵以小量滲透到OBC和DC-DC轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用中。因此到2026年，汽車和移動市場價值將超過1.55億美元，年復(fù)合成長率達(dá)185%。

“吸金”背后的發(fā)展難題

毫無疑問，氮化鎵已經(jīng)成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向，但不可否認(rèn)的是，就像碳化硅一樣，氮化鎵也存在著種種技術(shù)難點問題。

筆者通過資料發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前氮化鎵材料的發(fā)展難題主要有以下幾個方面。

一是襯底材料問題。襯底與薄膜晶格的相配程度影響GaN 薄膜質(zhì)量好壞。一方面，在溫州大學(xué)的一篇《氮化鎵的合成制備及前景分析》的論文中提到，目前使用最多的襯底是藍(lán)寶石(Al2O3)，此類材料由于制備簡單，價格較低，熱穩(wěn)定性良好，且可以用于生長大尺寸的薄膜而被廣泛使用，但是由于其晶格常數(shù)和線膨脹系數(shù)都與氮化鎵相差較大，制備出的氮化鎵薄膜可能會存在裂紋等缺陷。另一方面，也有資料顯示，由于襯底單晶沒有解決，異質(zhì)外延缺陷密度相當(dāng)高，而且氮化鎵極性太大，難以通過高摻雜來獲得較好的金屬-半導(dǎo)體的歐姆接觸，因此工藝制造較復(fù)雜。

二是氮化鎵薄膜制備問題。《氮化鎵的合成制備及前景分析》中還提到了比較傳統(tǒng)的GaN 薄膜制備方法有MOCVD（金屬有機(jī)物氣相沉積法）、MBE 法（分子束外延法）和HVPE（氫化物氣相外延法）。其中，采用MOCVD 法制備的產(chǎn)量大，生長周期短，適合用于大批量生產(chǎn)，但生長完畢后需要進(jìn)行退火處理，最后得到的薄膜可能會存在裂紋，會影響產(chǎn)品的質(zhì)量；MBE法只能用于一次制備少量的GaN薄膜，尚不能用于大規(guī)模生產(chǎn)；HVPE法生成的GaN晶體質(zhì)量比較好，且在較高的溫度下生長速度快，但高溫反應(yīng)對生產(chǎn)設(shè)備，生產(chǎn)成本和技術(shù)要求都比較高。

三是GaN籽晶獲得問題。直接采用氨熱方法培育一個兩英寸的籽晶需要幾年時間，因此如何獲得高質(zhì)量、大尺寸的GaN籽晶也是難題所在。

此外，在2020年semicon taiwan 舉辦的“策略材料高峰論壇”上，臺灣交通大學(xué)副校長張翼、臺灣工研院電子與光電系統(tǒng)研究所所長吳志毅等也指出，目前氮化鎵有2個技術(shù)上的難題，其一是以目前生長的基板碳化硅來說，尺寸上尚無法突破6英寸晶圓的大小，同時碳化硅的取得成本較高，導(dǎo)致目前既無法大量生產(chǎn)、價格也壓不下來；第二個則是要如何讓氮化鎵能在硅晶圓上面生長、并且擁有高良率，是業(yè)界要突破的技術(shù)，如果可以克服并運用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施，氮化鎵未來的價格跟產(chǎn)量就能有所改善。

由此可見，要想氮化鎵產(chǎn)能提升、成本控制并形成完全的產(chǎn)業(yè)鏈，所面對的技術(shù)挑戰(zhàn)不容小覷。

有難題的地方就會有新技術(shù)

當(dāng)然，有難題的地方就會有科研，有科研的地方就會有智慧，有智慧的地方顯然也孕育了不少突破性技術(shù)。

·中國瑞士聯(lián)合團(tuán)隊讓氮化鎵器件性能大幅接近理論極限

南方科技大學(xué)電子與電氣工程系助理教授馬俊團(tuán)隊與瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)（EPFL）和蘇州晶湛半導(dǎo)體有限公司合作研發(fā)了一種多溝道氮化鎵電力電子器件技術(shù)，可用于開發(fā)高能效的電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

相關(guān)論文于2021年3月以《用于高效功率轉(zhuǎn)換的多溝道納米線器件》（Multi-channel nanowire devices for efficient power conversion）為題發(fā)表在 Natural Electronics。

多溝道納米線中的電子傳輸（圖片來源：Natural Electronics）

該技術(shù)解決了兩個電子器件中基礎(chǔ)性、原理性的挑戰(zhàn)。第一，怎么降低器件的電阻，但又不損失電子的遷移率。第二，如何在低電阻的情況下實現(xiàn)高擊穿電壓。據(jù)介紹，研究人員通過材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計和外延工藝的提升，在 100-200 納米的多溝道內(nèi)，堆疊了 4 至 5 個導(dǎo)電溝道。此外，從器件設(shè)計方面，研究人員使用了原創(chuàng)的三維場板結(jié)構(gòu)，并申請了專利。

·晶湛半導(dǎo)體突破12英寸硅基氮化鎵HEMT外延技術(shù)

除了上述提到的技術(shù)外，晶湛半導(dǎo)體在2021年9月成功將其AlGaN/GaN HEMT外延工藝轉(zhuǎn)移到300mm Si襯底上，同時保持了優(yōu)異的厚度均勻性和50μm以內(nèi)的低晶圓翹曲。據(jù)了解，這是繼2014年成功推出商用200mm GaN-on-Si HV HEMT外延片后，晶湛半導(dǎo)體的又一次突破。垂直電壓擊穿測量表明，300mm尺寸的晶圓同樣適合于200V、650V和1200V功率器件應(yīng)用。

圖片來源：晶湛半導(dǎo)體

為解決GaN外延中的晶圓開裂/彎曲和高晶體缺陷等關(guān)鍵問題，晶湛半導(dǎo)體采用了如圖（a）所示的外延結(jié)構(gòu)，外延生長從AlN形核層開始，然后是應(yīng)力弛豫緩沖層、GaN溝道層、AlGaN勢壘層和GaN帽層。如圖（b）所示，窄的XRD AlN（002）峰和良好的半高寬均勻性表明整個300mm晶圓的晶體質(zhì)量較高。

圖片來源：晶湛半導(dǎo)體

·AIST開發(fā)全球首顆GaN HEMT與 SiC SBD的集成單芯片原型

12月12日，日本先進(jìn)工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所（AIST）宣布，成功開發(fā)了全球首顆GaN HEMT與 SiC SBD的集成單芯片原型。據(jù)介紹，為解決GaN HEMT的可靠性問題，AIST進(jìn)行了混合晶體管的研究和開發(fā),在同一襯底上，將GaN晶體管和SiC二極管集成在一起（即單片化）。

圖片來源：AIST

而開發(fā)氮化鎵和碳化硅的混合晶體管，需要建設(shè)開發(fā)氮化鎵和碳化硅集成器件原型的環(huán)境，所以AIST擴(kuò)建了一條SiC功率器件的4英寸原型線，將其作為SiC和GaN的共享原型線，并用于開發(fā)混合晶體管原型。

·納微半導(dǎo)體推出GaNSense新技術(shù)

納微半導(dǎo)體于去年10月上市，11月就推出了新一代采用GaNSense技術(shù)的智能GaNFast氮化鎵功率芯片。

據(jù)悉，GaNSense技術(shù)集成了對系統(tǒng)參數(shù)的實時、準(zhǔn)確和快速感應(yīng)，包括電流和溫度的感知。與前幾代產(chǎn)品相比，GaNSense 技術(shù)可額外提高10%的節(jié)能效果，并能夠進(jìn)一步減少外部元件數(shù)量，縮小系統(tǒng)的尺寸。

此外，憑借業(yè)界最嚴(yán)格的電流測量精度和GaNFast響應(yīng)時間，GaNSense技術(shù)縮短50%的危險時間，危險的過電流峰值降低50%。

寫在最后

總的來說，雖然氮化鎵制備以及功率器件產(chǎn)品都還存在著不足，但業(yè)界也提出了相應(yīng)的技術(shù)方案進(jìn)行解決，隨著技術(shù)發(fā)展不斷推陳出新以及GaN半導(dǎo)體的可靠性得到證實，未來氮化鎵也將有望成為引爆第三代半導(dǎo)體的商機(jī)。