多維度解析氮化鎵

2023年10月24日，英飛凌宣布完成收購氮化鎵系統(tǒng)公司（GaN Systems），豐富氮化鎵功率轉(zhuǎn)換解決方案產(chǎn)品組合和領(lǐng)先的應(yīng)用技術(shù)；

2024年1月11日，瑞薩電子與全球氮化鎵功率半導(dǎo)體供應(yīng)商Transphorm宣布雙方達(dá)成最終協(xié)議，瑞薩電子將收購Transphorm所有已發(fā)行普通股。

海外巨頭在氮化鎵市場動作頻頻，這將顯著地推動了氮化鎵技術(shù)的發(fā)展和行業(yè)格局的變化，同時也充分顯示了氮化鎵技術(shù)在功率電子器件領(lǐng)域的戰(zhàn)略重要性。實際上，不僅在功率電子器件領(lǐng)域，氮化鎵同樣廣泛應(yīng)用于光電、射頻等市場。本文將梳理氮化鎵器件下游應(yīng)用、襯底分類、生產(chǎn)成本、技術(shù)路徑等維度的信息，供行業(yè)相關(guān)人士參考。

首先回顧下氮化鎵材料的特點：禁帶寬度高、飽和電子漂移速率高、介電常數(shù)低、擊穿場強高，使其具備耐高壓、尺寸小、高頻率、損耗低、信號傳輸低延遲、串?dāng)_小等優(yōu)勢，這些優(yōu)勢也為氮化鎵廣泛的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

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下游應(yīng)用

氮化鎵器件主要應(yīng)用于光電、射頻和電力電子等領(lǐng)域。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，2020年三大領(lǐng)域的下游應(yīng)用占比分別為68%、20%、10%。

光電領(lǐng)域：氮化鎵材料可以用于制備高性能的LED（發(fā)光二極管）和LD（激光二極管）器件，還可以用于制備高性能的光電子器件，如光電探測器、太陽能電池和光通信器件等，到目前為止，光電領(lǐng)域依然是GaN的傳統(tǒng)強項。

射頻領(lǐng)域：氮化鎵因高功率密度、低能耗、適合高頻率和寬帶寬的特點，成為5G通信的關(guān)鍵材料。目前射頻器件領(lǐng)域LDMOS、砷化鎵、氮化鎵三者占比相差不大，但隨著硅基氮化鎵技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合了氮化鎵的高性能和硅基工藝的成本優(yōu)勢，使其成為5G中射頻功率放大器的有力競爭者。據(jù)Yole預(yù)測，至2025年，砷化鎵市場份額基本維持不變的情況下，氮化鎵有望替代大部分LDMOS份額，占據(jù)射頻器件市場約50%的份額。

電力電子領(lǐng)域：氮化鎵功率器件在消費電子快充市場已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，特別是在智能手機(jī)和筆記本電腦的充電器中，由于氮化鎵器件能夠在提高效率的同時減小體積，這使得快充設(shè)備更加便攜和高效。另外，隨著長時間的市場培育，很多氮化鎵廠商都開始陸續(xù)發(fā)布了自己的高功率產(chǎn)品，已經(jīng)在光伏新能源、數(shù)據(jù)中心、電動汽車等應(yīng)用上實現(xiàn)突破。

值得一提的是，氮化鎵在新能源汽車領(lǐng)域主要有三種應(yīng)用：車載充電器，用于給高壓電池充電；DC/DC轉(zhuǎn)換器，將來自高壓電池的電力轉(zhuǎn)換給汽車上其他電子設(shè)備；牽引驅(qū)動或電機(jī)控制，可以用于驅(qū)動電機(jī)。但相較于碳化硅的“上車”熱潮，氮化鎵仍在蓄力中，汽車市場規(guī)模仍然很小。

另外，氮化鎵可以實現(xiàn)更高的功率密度和效率，比純硅解決方案更有效地進(jìn)行電量處理，將功率轉(zhuǎn)換器的功率損耗大幅降低，并更大限度地減少對添加冷卻器件的需求，可以在更小的空間內(nèi)，設(shè)計更小更輕的系統(tǒng)。

襯底分類

目前氮化鎵器件主要采用藍(lán)寶石、SiC、Si等襯底，但外延層氮化鎵和異質(zhì)襯底之間存在晶格失配和熱失配問題，效率降低。作為襯底，氮化鎵自然是最適合用來作為氮化鎵外延片生長的襯底材料，同質(zhì)外延生長可以從根本上解決使用異質(zhì)襯底材料所遇到的晶格失配與熱失配問題，將生長過程中由于材料之間性質(zhì)差異所引起的應(yīng)力降到最低。

但因為氮化鎵在高溫下會分解，不能用單晶硅生產(chǎn)工藝的傳統(tǒng)直拉法拉出單晶，需要純靠氣體反應(yīng)合成，而氮氣性質(zhì)非常穩(wěn)定，鎵又是稀有金屬，兩者反應(yīng)時間長，速度慢，反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物多，所以氮化鎵襯底的生產(chǎn)對設(shè)備要求苛刻，技術(shù)復(fù)雜，所以產(chǎn)能也相對較低，市場售價高，目前市場上采用氮化鎵襯底的廠商較少。

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GaN-on-sapphire：藍(lán)寶石襯底由于工藝成熟，可獲得較低成本、較大尺寸、高質(zhì)量的單晶，主要制作成光電器件，廣泛應(yīng)用于LED照明、紫外/藍(lán)/綠激光器等光電領(lǐng)域；

GaN-on-SiC：結(jié)合了碳化硅優(yōu)異的導(dǎo)熱性和氮化鎵高功率密度、低損耗的特性，襯底上的器件可以在高電壓和高漏極電流下運行，結(jié)溫隨RF功率緩慢升高，RF性能更好，主要制作功率器件、射頻器件。但由于生長高質(zhì)量、大尺寸碳化硅單晶難度大，SiC為層狀結(jié)構(gòu)易于解理，加工性能較差，容易在襯底表面引入臺階狀缺陷，影響外延層質(zhì)量。同尺寸的碳化硅襯底價格為藍(lán)寶石襯底的幾十倍，高昂的價格限制了其大規(guī)模應(yīng)用。

GaN-on-Si：襯底成本低，生長速度快，GaN-on-Si是硅基工藝，與CMOS工藝兼容性好，能夠?qū)aN器件與CMOS工藝器件很好的集成在一個芯片上，可以利用現(xiàn)有硅晶圓代工廠進(jìn)行規(guī)模量產(chǎn)，主要制作功率器件、射頻器件，應(yīng)用于消費電子、工業(yè)、數(shù)據(jù)中心和電動汽車等領(lǐng)域；

GaN-on- GaN：具有更高的擊穿電壓和電子遷移率，這些特性使得氮化鎵成為高效率光電器件和高頻電子器件等的理想選擇，但氮化鎵單晶生長設(shè)備要求高，工藝復(fù)雜，成本較高，目前小批量商用。對于追求最佳性能的應(yīng)用，如高端激光器和某些類型的光電探測器，可能會考慮使用氮化鎵單晶襯底。

生產(chǎn)成本

氮化鎵半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)為：襯底→氮化鎵材料外延→器件設(shè)計→器件制造。

以硅基襯底氮化鎵器件為例，根據(jù)聚力成半導(dǎo)體的數(shù)據(jù)，硅基襯底GaN HEMT的Die生產(chǎn)成本主要由襯底成本、外延片成本、制造+封測成本以及良率損失成本構(gòu)成，分別占比7%、50%、23%和20%左右，外延片制造環(huán)節(jié)成本占整個Die生產(chǎn)成本將近一半，是整個氮化鎵產(chǎn)業(yè)的核心工藝。

相對碳化硅來說，目前硅基襯底氮化鎵（GaN-on-Si）和藍(lán)寶石襯底氮化鎵（GaN-on-Sapphire）的制造成本是要低于SiC-on-SiC的，因為后者的襯底材料成本高出25倍以上，且晶圓制造良率也比較低。而其他襯底的氮化鎵器件的成本則并沒有優(yōu)勢。盡管在1200V以上的高電壓領(lǐng)域，碳化硅的性價比最高，但在600V-1200V的高功率場景中，氮化鎵的市場潛力巨大，正成為其新的藍(lán)海市場。

值得指出的是，氮化鎵電子遷移率比碳化硅高2倍，因此氮化鎵的開關(guān)損耗比較低。此外，氮化鎵的工作頻率也高于碳化硅，因此可以減小電路中使用的磁性元件的尺寸。磁性元件尺寸減小有助于降低成本，該優(yōu)勢最終體現(xiàn)在功率系統(tǒng)的物料清單（BOM）上。

技術(shù)路徑

氮化鎵器件主要有兩種技術(shù)路線，平面型與垂直型。平面型氮化鎵器件通?；诜潜菊饕r底，如Si、SiC、藍(lán)寶石等。早期高質(zhì)量單晶氮化鎵襯底難以實現(xiàn)，成本比較高，只能通過非本征襯底上生長異質(zhì)外延氮化鎵，由于襯底外延界面早期難以實現(xiàn)導(dǎo)通，因此利用異質(zhì)結(jié)的平面型GaN器件逐漸成為了主流。

常開的D-mode（耗盡型）和常關(guān)的E-mode（增強型）構(gòu)成了橫向HEMT器件的兩大類。由于器件中氮化鎵與AlGaN界面有性質(zhì)優(yōu)良的二維電子氣（2DEG）形成了天然的導(dǎo)電溝道，因此未經(jīng)特殊工藝等技術(shù)手段制成的器件都是常開的耗盡型器件。

D-mode（耗盡型）是氮化鎵功率器件的自然狀態(tài)，在通常狀態(tài)下（柵源極電壓VGS=0），漏極和源極之間已存在2DEG，器件呈導(dǎo)通狀態(tài)；而當(dāng)柵源極電壓VGS<0時，漏、源極之間的2DEG斷開，器件截止。然而在電力電子應(yīng)用中，常開的器件在使用上不便且有安全方面的問題，因此D-mode氮化鎵HEMT器件在應(yīng)用中，經(jīng)常級聯(lián)/串聯(lián)低壓硅MOS一起使用。

級聯(lián)/串聯(lián)低壓硅MOS是通過利用低壓Si MOSFET的開關(guān)帶動整體的開關(guān)，盡管驅(qū)動電路和Si MOSFET相同，但由于級聯(lián)架構(gòu)的D-mode GaN的開關(guān)頻率和速度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的Si MOSFET，所以要求驅(qū)動IC能夠在很高的dv/dt環(huán)境下正常工作。

相對于D-mode，E-mode（增強型）為常關(guān)型，使用方式類似傳統(tǒng)硅MOS，器件結(jié)構(gòu)簡單，適合高頻化應(yīng)用，增強型器件不需要負(fù)電壓供電，實際應(yīng)用中的氮化鎵功率器件都需要是常關(guān)型的器件。為了制備這種增強型器件，目前主要采用的方案包括：p型柵、凹槽柵、F處理等。其中，P-GaN柵結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)增強型GaN HEMT的方案之一，本質(zhì)是通過降低柵下2DEG的電子密度等，實現(xiàn)對柵壓的控制，將閾值電壓提高到正。

但需要指出的是，在高dv/dt環(huán)境中使用E-mode GaN時也有局限性，E-mode GaN器件需采用低柵極關(guān)斷電阻，這樣會限制轉(zhuǎn)換速率控制，因為需要確保通過柵漏電容的電流不會在高dv/dt事件中打開柵極。

隨著高質(zhì)量單晶氮化鎵襯底的商業(yè)化，與垂直型Si或SiC電力電子器件結(jié)構(gòu)相近的垂直型氮化鎵（GaN-on-GaN）器件得到快速發(fā)展，克服橫向器件的一些高壓限制和較大尺寸的問題，并逐步由實驗室研究邁向產(chǎn)業(yè)化，但目前僅有北京大學(xué)、浙江大學(xué)、深圳大學(xué)、中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所等少數(shù)幾家單位成功研制垂直型GaN-on-GaN功率器件，且主要為垂直型GaN-on-GaN功率二極管。

新型垂直結(jié)構(gòu)GaN-on-GaN功率二極管能夠從根本上突破傳統(tǒng)平面型GaN-on-Si器件在擊穿電壓、動態(tài)導(dǎo)通性能等方面的限制，更大程度地發(fā)揮氮化鎵材料本身的優(yōu)勢，有望成為高壓、高效、快速的電力電子系統(tǒng)發(fā)展的新方向。