第三代半导体最具潜质的氮化镓材料

发布时间：2022-08-26作者来源：澳门新葡萄新京威尼斯987浏览：3015

什么是GaN 氮化镓？

GaN：

由镓（原子序数 31) 和氮（原子序数 7) 结合而来的化合物。它是拥有稳定六边形晶体结构的宽禁带半导体材料。

禁带：

是指电子从原子核轨道上脱离所需要的能量，GaN 的禁带宽度为 3.4eV，是硅的 3 倍多，所以说 GaN 拥有宽禁带特性（WBG）。

禁带宽度决定了一种材料所能承受的电场。

GaN 比传统硅材料更大的禁带宽度，使它具有非常细窄的耗尽区，从而可以开发出载流子浓度非常高的器件结构，而载流子浓度直接决定了半导体的导电能力。

中国在氮化镓技术上起步虽晚发力强劲

智慧芽数据显示，全球在氮化镓产业已申请16万多件专利，有效专利6万多件（如图3）。其中，保护类型以发明专利为主，行业技术创新度比较高。报告指出，该领域美日技术实力较强，中美日市场较热。

图片来源：《第三代半导体-氮化镓技术洞察报告》

从技术发展的历史演进来看，20世纪70年代初出现氮化镓相关专利申请，1994年之前尚处于探索阶段，参与企业较少；1994-2005年进入快速发展期，主要驱动力是LED照明商用化；2010年开始，日本住友、日立等对氮化镓衬底大尺寸的突破和进一步产品化，促进了相关专利量的进一步快速增长；自2014年起，专利申请量总体趋于稳步发展态势，年专利申请量基本维持在9000件以上，在这段时期，可见光LED热度减退，GaN基FET器件、功率/射频器件、MicroLED等器件热度上升。

从氮化镓领域全球技术布局来看，中国、美国和日本为氮化镓技术热点布局的市场。其中，美国和日本起步较早，起步于20世纪70年代初，而中国起步虽晚，但后起发力强劲（如图4）。值得注意的是，目前全球的氮化镓技术主要来源于日本。

图片来源：《第三代半导体-氮化镓技术洞察报告》

技术发展难题

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。

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