第三代半導體最具潛質的氮化鎵材料

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2022-08-26 19:11:30 14

什么是GaN 氮化鎵？

GaN：

由鎵（原子序數 31) 和氮（原子序數 7) 結合而來的化合物。它是擁有穩定六邊形晶體結構的寬禁帶半導體材料。

禁帶：

是指電子從原子核軌道上脫離所需要的能量，GaN 的禁帶寬度為 3.4eV，是硅的 3 倍多，所以說 GaN 擁有寬禁帶特性（WBG）。

禁帶寬度決定了一種材料所能承受的電場。

GaN 比傳統硅材料更大的禁帶寬度，使它具有非常細窄的耗盡區，從而可以開發出載流子濃度非常高的器件結構，而載流子濃度直接決定了半導體的導電能力。

中國在氮化鎵技術上起步雖晚發力強勁

智慧芽數據顯示，全球在氮化鎵產業已申請16萬多件專利，有效專利6萬多件（如圖3）。其中，保護類型以發明專利為主，行業技術創新度比較高。報告指出，該領域美日技術實力較強，中美日市場較熱。

圖片來源：《第三代半導體-氮化鎵技術洞察報告》

從技術發展的歷史演進來看，20世紀70年代初出現氮化鎵相關專利申請，1994年之前尚處于探索階段，參與企業較少；1994-2005年進入快速發展期，主要驅動力是LED照明商用化；2010年開始，日本住友、日立等對氮化鎵襯底大尺寸的突破和進一步產品化，促進了相關專利量的進一步快速增長；自2014年起，專利申請量總體趨于穩步發展態勢，年專利申請量基本維持在9000件以上，在這段時期，可見光LED熱度減退，GaN基FET器件、功率/射頻器件、MicroLED等器件熱度上升。

從氮化鎵領域全球技術布局來看，中國、美國和日本為氮化鎵技術熱點布局的市場。其中，美國和日本起步較早，起步于20世紀70年代初，而中國起步雖晚，但后起發力強勁（如圖4）。值得注意的是，目前全球的氮化鎵技術主要來源于日本。

圖片來源：《第三代半導體-氮化鎵技術洞察報告》

技術發展難題

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，就像碳化硅一樣，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《氮化鎵的合成制備及前景分析》的論文中提到，目前使用最多的襯底是藍寶石(Al2O3)，此類材料由于制備簡單，價格較低，熱穩定性*，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和線膨脹系數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，因此工藝制造較復雜。

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的GaN 薄膜制備方法有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，采用MOCVD 法制備的產量大，生長周期短，適合用于大批量生產，但生長完畢后需要進行退火處理，最后得到的薄膜可能會存在裂紋，會影響產品的質量；MBE法只能用于一次制備少量的GaN薄膜，尚不能用于大規模生產；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*論壇”上，臺灣交通大學副校長張翼、臺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硅晶圓上面生長、并且擁有高良率，是業界要突破的技術，如果可以克服并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、成本控制并形成完全的產業鏈，所面對的技術挑戰不容小覷。

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