熱度不減的氮化鎵

2022-01-15T11:16:59+00:00

隨著基於矽的技術發展逐漸接近極限,以碳化矽(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體迎來了爆發風口。其中,SiC和GaN作為目前最為成熟,商業化程度最高的第三代半導體材料自然風頭正盛。

隨著基於矽的技術發展逐漸接近極限,以碳化矽(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體迎來了爆發風口。其中,SiC和GaN作為目前最為成熟,商業化程度最高的第三代半導體材料自然風頭正盛。此前,我們曾在《「拯救」SiC的幾大新技術》一文中詳細介紹了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體材料,禁帶寬度大於2.3eV,也稱為寬禁帶半導體材料,是研製微電子器件、光電子器件的新型材料。相比「得碳化矽者得天下」,氮化鎵就顯得低調許多,1969年日本科學家Maruska等人才在藍寶石襯底表面沉積出了氮化鎵薄膜,本世紀初氮化鎵進入了飛速發展階段。2019年,氮化鎵作為第三代半導體的主要材料之一首次進入主流消費應用,並在2020年因小米氮化鎵充電器而引發關注。

低調卻「吸金」

雖然沒有碳化矽那麼火爆,但氮化鎵的吸金程度也毫不遜色。據筆者不完全統計,除了國外的ST、英飛凌和PI等企業一馬當先以外,國內的英諾賽科和納微也發展迅猛,到這也擋不住氮化鎵的發展浪潮。

據不完全統計,2021年國內超9家氮化鎵相關企業獲得了超12輪的融資,其中禹創半導體、鎵未來、能華微電子等3家企業都完成了2輪融資,從透露的投資額來看,芯元基完成了逾億元B輪;南芯半導體完成了近3億元D輪融資;能華微電子則是完成了數億元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.,環旭電子也宣布投資氮化鎵系統有限公司,加碼功率電子戰略。

吸金能力的背後,是氮化鎵強大的潛力。同為第三代半導體材料,氮化鎵時常被人用來與碳化矽作比較,雖然沒有碳化矽發展的時間久,但氮化鎵依舊憑藉著禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導率大、飽和電子漂移速度高和抗輻射能力強等特點展現了它的優越性。據Yole Developpement發布的GaN Power 2021報告預期,到2026年GaN功率市場規模預計會達到11億美元。

說到GaN功率器件,當前人們的第一反應可能就是快充。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充電器,並在全球範圍內率先支持USB PD3.1快充標準,一舉刷新了USB PD充電器單口輸出最高功率,達到140W。相比傳統矽器件,氮化鎵快充能夠顯著提升充電速度,並降低系統待機狀態的電量消耗,在這個萬事都離不開手機的時代,完美得滿足了人們「充電2分鐘,通話兩小時」的需求。當然,除了手機以外,平板、遊戲機等也將追求輕量化,這也給氮化鎵快充帶來了不小的市場。

但需要注意的是,氮化鎵的應用領域遠不止消費電子領域。據普華有策統計,氮化鎵通常用於微波射頻、電力電子和光電子三大領域,微波射頻方向包含了 5G 通信、雷達預警、衛星通訊等;電力電子方向包括了智能電網、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、雷射器、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、物聯網市場的不斷增長,在小尺寸封裝強大性能的加持下,GaN再次成為關注的焦點。在5G通信領域,GaN可以縮小 5G 天線的尺寸和重量,又能滿足嚴格的熱規範,所以適合毫米波領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,提升整車續航里程。

Yole更是預測,從2022年開始預計氮化鎵以小量滲透到OBC和DC-DC轉換器等應用中。因此到2026年,汽車和移動市場價值將超過1.55億美元,年複合成長率達185%。

「吸金」背後的發展難題

毫無疑問,氮化鎵已經成為半導體產業的重要發展方向,但不可否認的是,就像碳化矽一樣,氮化鎵也存在著種種技術難點問題。

筆者通過資料發現,當前氮化鎵材料的發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 薄膜質量好壞。一方面,在溫州大學的一篇《氮化鎵的合成製備及前景分析》的論文中提到,目前使用最多的襯底是藍寶石(Al2O3),此類材料由於製備簡單,價格較低,熱穩定性良好,且可以用於生長大尺寸的薄膜而被廣泛使用,但是由於其晶格常數和線膨脹係數都與氮化鎵相差較大,製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,由於襯底單晶沒有解決,異質外延缺陷密度相當高,而且氮化鎵極性太大,難以通過高摻雜來獲得較好的金屬-半導體的歐姆接觸,因此工藝製造較複雜。

二是氮化鎵薄膜製備問題。《氮化鎵的合成製備及前景分析》中還提到了比較傳統的GaN 薄膜製備方法有MOCVD(金屬有機物氣相沉積法)、MBE 法(分子束外延法)和HVPE(氫化物氣相外延法)。其中,採用MOCVD 法製備的產量大,生長周期短,適合用於大批量生產,但生長完畢後需要進行退火處理,最後得到的薄膜可能會存在裂紋,會影響產品的質量;MBE法只能用於一次製備少量的GaN薄膜,尚不能用於大規模生產;HVPE法生成的GaN晶體質量比較好,且在較高的溫度下生長速度快,但高溫反應對生產設備,生產成本和技術要求都比較高。

三是GaN籽晶獲得問題。直接採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,台灣交通大學副校長張翼、台灣工研院電子與光電系統研究所所長吳志毅等也指出,目前氮化鎵有2個技術上的難題,其一是以目前生長的基板碳化矽來說,尺寸上尚無法突破6英寸晶圓的大小,同時碳化矽的取得成本較高,導致目前既無法大量生產、價格也壓不下來;第二個則是要如何讓氮化鎵能在矽晶圓上面生長、並且擁有高良率,是業界要突破的技術,如果可以克服並運用現有的基礎設施,氮化鎵未來的價格跟產量就能有所改善。

由此可見,要想氮化鎵產能提升、成本控制並形成完全的產業鏈,所面對的技術挑戰不容小覷。

有難題的地方就會有新技術

當然,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。

·中國瑞士聯合團隊讓氮化鎵器件性能大幅接近理論極限

南方科技大學電子與電氣工程系助理教授馬俊團隊與瑞士洛桑聯邦理工大學(EPFL)和蘇州晶湛半導體有限公司合作研發了一種多溝道氮化鎵電力電子器件技術,可用於開發高能效的電能轉換系統。

相關論文於2021年3月以《用於高效功率轉換的多溝道納米線器件》(Multi-channel nanowire devices for efficient power conversion)為題發表在 Natural Electronics。

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

該技術解決了兩個電子器件中基礎性、原理性的挑戰。第一,怎麼降低器件的電阻,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高擊穿電壓。據介紹,研究人員通過材料結構的設計和外延工藝的提升,在 100-200 納米的多溝道內,堆疊了 4 至 5 個導電溝道。此外,從器件設計方面,研究人員使用了原創的三維場板結構,並申請了專利。

·晶湛半導體突破12英寸矽基氮化鎵HEMT外延技術

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

圖片來源:晶湛半導體

為解決GaN外延中的晶圓開裂/彎曲和高晶體缺陷等關鍵問題,晶湛半導體採用了如圖(a)所示的外延結構,外延生長從AlN形核層開始,然後是應力弛豫緩衝層、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晶圓的晶體質量較高。

圖片來源:晶湛半導體

·AIST開發全球首顆GaN HEMT與 SiC SBD的集成單晶片原型

12月12日,日本先進工業科學技術研究所(AIST)宣布,成功開發了全球首顆GaN HEMT與 SiC SBD的集成單晶片原型。據介紹,為解決GaN HEMT的可靠性問題,AIST進行了混合電晶體的研究和開發,在同一襯底上,將GaN電晶體和SiC二極體集成在一起(即單片化)。

圖片來源:AIST

而開發氮化鎵和碳化矽的混合電晶體,需要建設開發氮化鎵和碳化矽集成器件原型的環境,所以AIST擴建了一條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,並用於開發混合電晶體原型。

·納微半導體推出GaNSense新技術

納微半導體於去年10月上市,11月就推出了新一代採用GaNSense技術的智能GaNFast氮化鎵功率晶片。

據悉,GaNSense技術集成了對系統參數的實時、準確和快速感應,包括電流和溫度的感知。與前幾代產品相比,GaNSense 技術可額外提高10%的節能效果,並能夠進一步減少外部元件數量,縮小系統的尺寸。

此外,憑藉業界最嚴格的電流測量精度和GaNFast響應時間,GaNSense技術縮短50%的危險時間,危險的過電流峰值降低50%。

寫在最後

總的來說,雖然氮化鎵製備以及功率器件產品都還存在著不足,但業界也提出了相應的技術方案進行解決,隨著技術發展不斷推陳出新以及GaN半導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體的商機。

*免責聲明:本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點,半導體行業觀察轉載僅為了傳達一種不同的觀點,不代表半導體行業觀察對該觀點讚同或支持,如果有任何異議,歡迎聯繫半導體行業觀察。

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