氮化鎵，再起風(fēng)云

導(dǎo)語(yǔ)

伴隨著新能源汽車(chē)的持續(xù)火熱，碳化硅（SiC）受到了更多的追捧，TechInsights報(bào)告指出，預(yù)計(jì)碳化硅市場(chǎng)收益在2022年至2027年期間將以35％的復(fù)合年增長(zhǎng)率從12億美元增長(zhǎng)到53億美元，到2029年，該市場(chǎng)規(guī)模將增長(zhǎng)到94億美元，其中中國(guó)將占一半。

作為第三代半導(dǎo)體材料，碳化硅相較于硅材料，具有大禁帶寬度、高擊穿電場(chǎng)、高飽和電子漂移速度、高熱導(dǎo)率、高抗輻射等特點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于新能源車(chē)的主驅(qū)逆變器、OBC、DC/DC 轉(zhuǎn)換器和非車(chē)載充電樁等關(guān)鍵電驅(qū)電控部件。

但當(dāng)我們看向整個(gè)第三代半導(dǎo)體市場(chǎng)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)與碳化硅類(lèi)似的氮化鎵（GaN），受重視程度卻稍遜一籌，但實(shí)質(zhì)上氮化鎵這一種材料在性能上獨(dú)具特色，具有很多碳化硅所沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)，如今東芝、羅姆等大廠(chǎng)們先后入場(chǎng)，讓這一材料成為了功率半導(dǎo)體新的增長(zhǎng)點(diǎn)。

僅從物理特性來(lái)看，氮化鎵甚至比碳化硅更適合做功率半導(dǎo)體的材料。有研究比較了這兩種材料的“Baliga性能指數(shù)（半導(dǎo)體材料相對(duì)于硅的性能數(shù)值，即硅為1）”，4H-碳化硅為500，氮化鎵為900，效率相對(duì)更高。

此外，碳化硅的絕緣破壞電場(chǎng)強(qiáng)度（表示材料的耐電壓特性）為2.8MV/cm，氮化鎵為3.3MV/cm，這一數(shù)值也比碳化硅來(lái)得高。一般而言，低頻工作時(shí)的功耗損失是絕緣破壞電場(chǎng)的三次方，高頻工作時(shí)的功耗損失是絕緣破壞電場(chǎng)的2次方，成反比例關(guān)系，所以，數(shù)值更高的氮化鎵的在功率損耗上更低，即工作效率比碳化硅更高。

有媒體指出，隨著氮化鎵耐壓能力的進(jìn)一步提升，其可實(shí)現(xiàn)承受1200V超高電壓，并具備更高性?xún)r(jià)比，在新能源市場(chǎng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)將會(huì)逐步推出，市場(chǎng)前景更為廣闊。

 也就是說(shuō)，未來(lái)的氮化鎵有望超越碳化硅，成為第三代半導(dǎo)體中最閃耀的一顆星星，而有關(guān)它的技術(shù)上的更迭變化，成為了新的功率半導(dǎo)體風(fēng)向標(biāo)。

一、大廠(chǎng)涌向氮化鎵

 作為第三代半導(dǎo)體的翹楚，大量廠(chǎng)商力圖在GaN上實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破以搶占市場(chǎng)先機(jī)，為了讓功率 GaN 達(dá)到更高的擊穿電壓（>1200V），部分技術(shù)創(chuàng)新已經(jīng)登上舞臺(tái)，例如垂直 GaN-on-GaN，以及通過(guò)使用電隔離襯底實(shí)現(xiàn)更多單片集成，例如 IMEC 在 GaN-on 方面的工作-SOI 或 GaN-on-QST。

 更值得大家關(guān)注的是，更多功率器件廠(chǎng)商加入到這場(chǎng)混戰(zhàn)當(dāng)中，有關(guān)技術(shù)方面的動(dòng)向尤其值得我們關(guān)注。

 日本大廠(chǎng)東芝旗下的東芝器件及存儲(chǔ)在“TECHNO-FRONTIER 2023”上展出了最新一代碳化硅功率器件和氮化鎵功率器件，其計(jì)劃于2024年進(jìn)入氮化鎵功率器件市場(chǎng)，這也是它首款氮化鎵產(chǎn)品的第一次展出。

 東芝首款氮化鎵產(chǎn)品，即擊穿電壓為650V、導(dǎo)通電阻為35mΩ（典型值）的器件，該公司獨(dú)特的常開(kāi)器件和共源共柵配置使得可以使用外部柵極電阻來(lái)控制開(kāi)關(guān)期間的電壓變化，并確保高閾值電壓并減少故障發(fā)生的可能性。

 東芝本次展示了配備氮化鎵功率器件樣品的2.5kW圖騰柱PFC評(píng)估板和2.0kW全橋LLC評(píng)估板，根據(jù)該公司對(duì)各板卡進(jìn)行的效率評(píng)估，峰值效率分別達(dá)到99.4%和98.4%，并且“在所有負(fù)載下保持高效率”，其性能相較于其他功率器件廠(chǎng)商并不遜色多少。

 此外，羅姆半導(dǎo)體（ROHM）作為老牌大廠(chǎng)，早在2006年就開(kāi)始研發(fā)氮化鎵產(chǎn)品，2021年推出了150V GaN器件技術(shù)，2023年開(kāi)始量產(chǎn)650V耐壓產(chǎn)品，可以說(shuō)其在氮化鎵領(lǐng)域的技術(shù)積累頗為豐厚。

 今年7月，羅姆發(fā)布了新產(chǎn)品EcoGaN? Power Stage IC “BM3G0xxMUV-LB”，該將柵極驅(qū)動(dòng)器和GaN HEMT一體化封裝，將FET性能最大化，GnA決定效率值，組合在一起實(shí)現(xiàn)高速開(kāi)關(guān)，更加充分地發(fā)揮氮化鎵器件的性能。

相比Si MOSFET，開(kāi)關(guān)損耗大幅度降低，外圍電路更簡(jiǎn)單，僅需一個(gè)外置器件，另外，相比Si MOSFET+散熱片，器件體積顯著減小。有助于應(yīng)用產(chǎn)品的小型化。

 該產(chǎn)品可以替代現(xiàn)有的Si MOSFET，從而使器件體積減少99%，功率損耗降低55%，有助于減少服務(wù)器和AC適配器的體積以及損耗。

二、氮化鎵的下一步

當(dāng)?shù)谌雽?dǎo)體的下一步發(fā)展路線(xiàn)走向氮化鎵之際，更多機(jī)構(gòu)與廠(chǎng)商力圖在GaN上實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破以搶占市場(chǎng)先機(jī)，為了讓功率 GaN 達(dá)到更高的擊穿電壓（>1200V），部分技術(shù)創(chuàng)新已經(jīng)登上舞臺(tái)，例如垂直型 GaN-on-GaN，以及通過(guò)使用電隔離襯底實(shí)現(xiàn)更多單片集成，例如 IMEC 在 GaN-on 方面的工作。

首先是垂直型 GaN-on-GaN，目前GaN器件分為平面型與垂直型兩種技術(shù)路線(xiàn)，平面型GaN器件通?；诜潜菊饕r底，如Si、SiC、藍(lán)寶石（Sapphire）等，出于成本等原因，利用異質(zhì)結(jié)的平面型GaN器件逐漸成為了主流。

Sapphire襯底制備技術(shù)成熟，價(jià)格低廉，化學(xué)穩(wěn)定性好，高溫?zé)岱€(wěn)定性好，能夠支持的襯底尺寸大，但其熱導(dǎo)率較低，需要良好散熱才能更好地實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

Si襯底的GaN制備技術(shù)工藝成熟、襯底尺寸大、晶體質(zhì)量高以及與Si基集成電路制造工藝兼容，但缺點(diǎn)是晶格失配率高達(dá)17%，導(dǎo)致位錯(cuò)密度和應(yīng)力大于其他襯底，影響器件的可靠性。

SiC襯底與GaN的失配率低，在SiC襯底上可以獲得高質(zhì)量的GaN基半導(dǎo)體，并擁有出色的導(dǎo)熱性能，但制備成本較高，限制了其在GaN功率器件領(lǐng)域的應(yīng)用。

綜合來(lái)看，平面型的不同襯底各自有難以改變的缺點(diǎn)，難以滿(mǎn)足大家的需求，不過(guò)隨著近年來(lái)高質(zhì)量單晶GaN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GaN（GaN-on-GaN）器件得到快速發(fā)展，并逐步由實(shí)驗(yàn)室研究邁向產(chǎn)業(yè)化。

垂直型GaN器件相較于三種襯底的平面型，有更為明顯的優(yōu)勢(shì)：

1.電流通道在體內(nèi)，不易受器件表面陷阱態(tài)的影響，動(dòng)態(tài)特性較為穩(wěn)定；

2.垂直結(jié)構(gòu)器件可在不增加器件面積的前提下通過(guò)增加漂移區(qū)厚度直接提升耐壓，因此與橫向結(jié)構(gòu)相比更易于實(shí)現(xiàn)高的擊穿電壓；

3.電流導(dǎo)通路徑的面積大，可以承受較高的電流密度；

4.由于電流在器件內(nèi)部更為均勻，器件的熱穩(wěn)定性佳；

5.垂直結(jié)構(gòu)器件易于實(shí)現(xiàn)雪崩特性，在工業(yè)應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)明顯。

 今年5月，歐洲 YESvGaN 聯(lián)盟在 PCIM Europe 2023上展示了新型垂直 GaN功率晶體管方案，其成本可降低至與硅基氮化鎵器件相當(dāng)。

據(jù)介紹，該聯(lián)盟正在開(kāi)發(fā)一種“垂直型GaN薄膜晶體管“技術(shù)，該技術(shù)可以不采用氮化鎵襯底，二是采用硅和藍(lán)寶石襯底，通過(guò)氮化鎵異質(zhì)外延生長(zhǎng)來(lái)獲得成本優(yōu)勢(shì)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，他們?cè)诘壣L(zhǎng)后，移除器件區(qū)域下方的硅、藍(lán)寶石襯底以及緩沖層，并從背面直接連接到 GaN 層金屬觸點(diǎn)。

該技術(shù)目標(biāo)是使用直徑12英寸（300毫米）的硅或藍(lán)寶石晶圓，來(lái)開(kāi)發(fā)650-1200V的準(zhǔn)垂直GaN功率晶體管，同時(shí)兼顧垂直結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)和硅基GaN/藍(lán)寶石GaN的低成本優(yōu)勢(shì)。

此外，今年1月，美國(guó)一家基于專(zhuān)有的氮化鎵（“GaN”）加工技術(shù)開(kāi)發(fā)創(chuàng)新型高壓功率開(kāi)關(guān)元件的半導(dǎo)體器件公司Odyssey Semiconductor Technologies, Inc宣布，公司的垂直GaN產(chǎn)品樣品制作完成，并于 2023 年第一季度開(kāi)始向客戶(hù)發(fā)貨。

其正在美國(guó)制造工作電壓為 650V 和 1200V 的垂直氮化鎵 (GaN) FET 晶體管樣品。該公司表示，垂直結(jié)構(gòu)將為 650 和 1200 伏器件提供更低的導(dǎo)通電阻和更高的品質(zhì)因數(shù)，其導(dǎo)通電阻僅為碳化硅 (SiC) 的十分之一，并且工作頻率明顯更高。

據(jù)介紹，Odyssey 的垂直 GaN 方法將比碳化硅或橫向 GaN 提供比硅更大的商業(yè)優(yōu)勢(shì)，垂直 GaN 在競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)無(wú)法達(dá)到的性能和成本水平上比碳化硅具有 10 倍的優(yōu)勢(shì)。

在垂直型結(jié)構(gòu)之外，是更高的集成度。需要注意的是，如今GaN 電力電子器件仍由分立元件主導(dǎo)，這些元件由產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)的外部驅(qū)動(dòng)器 IC 驅(qū)動(dòng)，為了能充分利用 GaN 提供的快速開(kāi)關(guān)速度，單片集成功率器件和驅(qū)動(dòng)器功能也是重要的發(fā)展方向之一。

目前，絕大多數(shù)的GaN功率系統(tǒng)都是由多個(gè)晶片組成。這些氮化鎵元件在整合至印刷電路板（PCB）以前都是獨(dú)立元件，制程中會(huì)產(chǎn)生寄生電感，降低元件性能。以驅(qū)動(dòng)器為例，當(dāng)多個(gè)獨(dú)立電晶體的驅(qū)動(dòng)器被置于不同晶片時(shí)，驅(qū)動(dòng)器輸出級(jí)與電晶體輸入級(jí)之間會(huì)產(chǎn)生大量的寄生電感，半橋電路中間的交換節(jié)點(diǎn)也會(huì)深受其害。以氮化鎵（GaN）制成的高電子遷移率晶體管（HEMT）具備超高速的開(kāi)關(guān)能力，如果不去抑制寄生電感，就會(huì)導(dǎo)致振鈴現(xiàn)象（ringing），也就是干擾訊號(hào)的不良振蕩。

而這一問(wèn)題的最佳解決方案，就是進(jìn)行驅(qū)動(dòng)器與HEMT的單片式整合，不僅能避免寄生現(xiàn)象的發(fā)生，還能最大程度地運(yùn)用GaN元件的優(yōu)異開(kāi)關(guān)性能。

去年3月，比利時(shí)微電子研究中心（imec）氮化鎵電力電子研究計(jì)劃主持人Stefann Decoutere探討了在200V GaN-on-SOI智能功率芯片（IC）平臺(tái)上，整合高性能肖特基二極管與空乏型高電子遷移率晶體管（HEMT）的成功案例。

該平臺(tái)以P型氮化鎵（GaN）HEMT制成，此次研發(fā)成功整合多個(gè)GaN元件，將能協(xié)助新一代芯片擴(kuò)充功能與升級(jí)性能，推進(jìn)GaN功率IC的全新發(fā)展。同時(shí)提供DC/DC轉(zhuǎn)換器與負(fù)載點(diǎn)（POL）轉(zhuǎn)換器所需的開(kāi)發(fā)動(dòng)能，進(jìn)一步縮小元件尺寸與提高運(yùn)作效率。

imec GaN 電源系統(tǒng)開(kāi)發(fā)總監(jiān) Stefaan Decoutere表示，通過(guò)將 e 模式（增強(qiáng)模式）與 d 模式（耗盡模式）的 HEMT 相結(jié)合，我們能夠提高 GaN IC 的性能。通過(guò)使用集成的 d 模式 HEMT 擴(kuò)展 SOI 上的功能電子模式 HEMT 平臺(tái)，可以直接從 RTL 向耦合 FET 邏輯邁出一步，從而實(shí)現(xiàn)速度提高和低功耗。

此外，雖然合格的增強(qiáng)型HEMT和肖特基二極管功率器件已經(jīng)在100V、200V和650V的工作電壓范圍內(nèi)進(jìn)行了演示，為大批量制造應(yīng)用鋪平了道路。但由于在200mm晶圓上生長(zhǎng)足夠厚的GaN緩沖層很困難，實(shí)現(xiàn)高于650V的工作電壓一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。因此，到目前為止，SiC仍然是650-1200V應(yīng)用（包括例如電動(dòng)汽車(chē)和可再生能源）的首選半導(dǎo)體。

同樣是imec，其攜手化合物半導(dǎo)體材料的沉積設(shè)備供應(yīng)商Aixtron，在200mmQST襯底上展示了符合1200V應(yīng)用的氮化鎵緩沖層的外延生長(zhǎng)，其硬擊穿電壓超過(guò)1800V。

imec的高級(jí)業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)經(jīng)理Denis Marcon表示：“現(xiàn)在，GaN可以成為從20V至1200V整個(gè)工作電壓范圍內(nèi)的首選技術(shù)。由于可以在高產(chǎn)能CMOS工廠(chǎng)的大型晶圓上進(jìn)行加工，基于GaN的電源技術(shù)與基于SiC的本質(zhì)上昂貴的技術(shù)相比，具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)。"

實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破的關(guān)鍵，是在IIAP計(jì)劃范圍內(nèi)對(duì)復(fù)雜的外延材料疊層進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，并結(jié)合使用200mm QST襯底。Qromis的CMOS-fab友好型QST襯底的熱膨脹非常匹配GaN / AlGaN外延層的熱膨脹，為更厚的緩沖層鋪平了道路，從而實(shí)現(xiàn)更高的電壓工作。

此外，還有廠(chǎng)商在氮化鎵材料上下苦工。

據(jù)日經(jīng)報(bào)道，日本最大的半導(dǎo)體晶圓企業(yè)信越化學(xué)工業(yè)和從事ATM及通信設(shè)備的OKI開(kāi)發(fā)出了以低成本制造使用氮化鎵（GaN）的功率半導(dǎo)體材料的技術(shù)。其制造成本較之傳統(tǒng)制法可降低90%。

報(bào)告指出，信越化學(xué)工業(yè)和OKI開(kāi)發(fā)的新技術(shù)可以在特有的基板上噴鎵系氣體，使晶體生長(zhǎng)。信越化學(xué)工業(yè)的增厚晶體技術(shù)與OKI的接合技術(shù)相結(jié)合，從基板上只揭下晶體。晶體放在其他基板上作為功率半導(dǎo)體的晶圓使用。在與在硅基板上使GaN晶體生長(zhǎng)的制法相比，不需要基板與晶體之間的絕緣層。加上晶體的厚膜化，可以通20倍大的電流。

三、總結(jié)

更多的大廠(chǎng)，更多的技術(shù)創(chuàng)新，讓氮化鎵成為了大家關(guān)注的焦點(diǎn)，就未來(lái)而言，氮化鎵的前景之廣闊，比目前正火熱的碳化硅有過(guò)之而無(wú)不及。

隨著下游新應(yīng)用開(kāi)始逐步爆發(fā)，相關(guān)技術(shù)不斷取得突破，氮化鎵器件勢(shì)必成為第三代半導(dǎo)體中最耀眼的一顆新星，成為降本增效、可持續(xù)綠色發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。

掌握氮化鎵，成為了當(dāng)前功率市場(chǎng)中大部分廠(chǎng)商的希望，而這背后，就是無(wú)數(shù)日夜的技術(shù)打磨與試錯(cuò)，我們相信，奮起直追的國(guó)內(nèi)廠(chǎng)商能在氮化鎵之上，尋找到新的突破和增長(zhǎng)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

垂直氮化鎵功率晶體管及其集成電路的發(fā)展?fàn)顩r——李博等

1200V氮化鎵，挑戰(zhàn)SiC——半導(dǎo)體行業(yè)觀(guān)察

東芝D＆S、開(kāi)発中のGaNパワーデバイスを初出展——EEtimes

文章來(lái)源：半導(dǎo)體行業(yè)觀(guān)察