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氮化镓，再起风云

晰数塔互联网快讯
2023-09-06 11:02

伴随着新能源汽车的持续火热，碳化硅（SiC）受到了更多的追捧，TechInsights报告指出，预计碳化硅市场收益在2022年至2027年期间将以35％的复合年增长率从12亿美元增长到53亿美元，到2029年，该市场规模将增长到94亿美元，其中中国将占一半。

作为第三代半导体材料，碳化硅相较于硅材料，具有大禁带宽度、高击穿电场、高饱和电子漂移速度、高热导率、高抗辐射等特点，因而广泛应用于新能源车的主驱逆变器、OBC、DC/DC 转换器和非车载充电桩等关键电驱电控部件。

但当我们看向整个第三代半导体市场时，会发现与碳化硅类似的氮化镓（GaN），受重视程度却稍逊一筹，但实质上氮化镓这一种材料在性能上独具特色，具有很多碳化硅所没有的优势，如今东芝、罗姆等大厂们先后入场，让这一材料成为了功率半导体新的增长点。

仅从物理特性来看，氮化镓甚至比碳化硅更适合做功率半导体的材料。有研究比较了这两种材料的“Baliga性能指数（半导体材料相对于硅的性能数值，即硅为1）”，4H-碳化硅为500，氮化镓为900，效率相对更高。

此外，碳化硅的绝缘破坏电场强度（表示材料的耐电压特性）为2.8MV/cm，氮化镓为3.3MV/cm，这一数值也比碳化硅来得高。一般而言，低频工作时的功耗损失是绝缘破坏电场的三次方，高频工作时的功耗损失是绝缘破坏电场的2次方，成反比例关系，所以，数值更高的氮化镓在功率损耗上更低，即工作效率比碳化硅更高。

有媒体指出，随着氮化镓耐压能力的进一步提升，其可实现承受1200V超高电压，并具备更高性价比，在新能源市场的应用优势将会逐步推出，市场前景更为广阔。

也就是说，未来的氮化镓有望超越碳化硅，成为第三代半导体中最闪耀的一颗星星，而有关它的技术上的更迭变化，成为了新的功率半导体风向标。

大厂涌向氮化镓

作为第三代半导体的翘楚，大量厂商力图在GaN上实现技术突破以抢占市场先机，为了让功率 GaN 达到更高的击穿电压（>1200V），部分技术创新已经登上舞台，例如垂直 GaN-on-GaN，以及通过使用电隔离衬底实现更多单片集成，例如 IMEC 在 GaN-on 方面的工作-SOI 或 GaN-on-QST。

更值得大家关注的是，更多功率器件厂商加入到这场混战当中，有关技术方面的动向尤其值得我们关注。

日本大厂东芝旗下的东芝器件及存储在“TECHNO-FRONTIER 2023”上展出了最新一代碳化硅功率器件和氮化镓功率器件，其计划于2024年进入氮化镓功率器件市场，这也是它首款氮化镓产品的第一次展出。

东芝首款氮化镓产品，即击穿电压为650V、导通电阻为35mΩ（典型值）的器件，该公司独特的常开器件和共源共栅配置使得可以使用外部栅极电阻来控制开关期间的电压变化，并确保高阈值电压并减少故障发生的可能性。

东芝本次展示了配备氮化镓功率器件样品的2.5kW图腾柱PFC评估板和2.0kW全桥LLC评估板，根据该公司对各板卡进行的效率评估，峰值效率分别达到99.4%和98.4%，并且“在所有负载下保持高效率”，其性能相较于其他功率器件厂商并不逊色多少。

此外，罗姆半导体（ROHM）作为老牌大厂，早在2006年就开始研发氮化镓产品，2021年推出了150V GaN器件技术，2023年开始量产650V耐压产品，可以说其在氮化镓领域的技术积累颇为丰厚。

今年7月，罗姆发布了新产品EcoGaN™ Power Stage IC “BM3G0xxMUV-LB”，该将栅极驱动器和GaN HEMT一体化封装，将FET性能最大化，GnA决定效率值，组合在一起实现高速开关，更加充分地发挥氮化镓器件的性能。

相比Si MOSFET，开关损耗大幅度降低，外围电路更简单，仅需一个外置器件，另外，相比Si MOSFET+散热片，器件体积显著减小。有助于应用产品的小型化。

该产品可以替代现有的Si MOSFET，从而使器件体积减少99%，功率损耗降低55%，有助于减少服务器和AC适配器的体积以及损耗。

氮化镓的下一步

当第三代半导体的下一步发展路线走向氮化镓之际，更多机构与厂商力图在GaN上实现技术突破以抢占市场先机，为了让功率 GaN 达到更高的击穿电压（>1200V），部分技术创新已经登上舞台，例如垂直型 GaN-on-GaN，以及通过使用电隔离衬底实现更多单片集成，例如 IMEC 在 GaN-on 方面的工作。

首先是垂直型 GaN-on-GaN，目前GaN器件分为平面型与垂直型两种技术路线，平面型GaN器件通常基于非本征衬底，如Si、SiC、蓝宝石（Sapphire）等，出于成本等原因，利用异质结的平面型GaN器件逐渐成为了主流。

Sapphire衬底制备技术成熟，价格低廉，化学稳定性好，高温热稳定性好，能够支持的衬底尺寸大，但其热导率较低，需要良好散热才能更好地实现应用。

Si衬底的GaN制备技术工艺成熟、衬底尺寸大、晶体质量高以及与Si基集成电路制造工艺兼容，但缺点是晶格失配率高达17%，导致位错密度和应力大于其他衬底，影响器件的可靠性。

SiC衬底与GaN的失配率低，在SiC衬底上可以获得高质量的GaN基半导体，并拥有出色的导热性能，但制备成本较高，限制了其在GaN功率器件领域的应用。

综合来看，平面型的不同衬底各自有难以改变的缺点，难以满足大家的需求，不过随着近年来高质量单晶GaN衬底的商业化，与垂直型Si或SiC电力电子器件结构相近的垂直型GaN（GaN-on-GaN）器件得到快速发展，并逐步由实验室研究迈向产业化。

垂直型GaN器件相较于三种衬底的平面型，有更为明显的优势：

1. 电流通道在体内，不易受器件表面陷阱态的影响，动态特性较为稳定；

2. 垂直结构器件可在不增加器件面积的前提下通过增加漂移区厚度直接提升耐压，因此与横向结构相比更易于实现高的击穿电压；

3. 电流导通路径的面积大，可以承受较高的电流密度；

4. 由于电流在器件内部更为均匀，器件的热稳定性佳；

5. 垂直结构器件易于实现雪崩特性，在工业应用中优势明显。

今年5月，欧洲 YESvGaN 联盟在 PCIM Europe 2023上展示了新型垂直 GaN功率晶体管方案，其成本可降低至与硅基氮化镓器件相当。

据介绍，该联盟正在开发一种“垂直型GaN薄膜晶体管”技术，该技术可以不采用氮化镓衬底，而是采用硅和蓝宝石衬底，通过氮化镓异质外延生长来获得成本优势。简单来说，他们在氮化镓生长后，移除器件区域下方的硅、蓝宝石衬底以及缓冲层，并从背面直接连接到 GaN 层金属触点。

该技术目标是使用直径12英寸（300毫米）的硅或蓝宝石晶圆，来开发650-1200V的准垂直GaN功率晶体管，同时兼顾垂直结构的优点和硅基GaN/蓝宝石GaN的低成本优势。

此外，今年1月，美国一家基于专有的氮化镓（GaN）加工技术开发创新型高压功率开关元件的半导体器件公司Odyssey Semiconductor Technologies， Inc宣布，公司的垂直GaN产品样品制作完成，并于 2023 年第一季度开始向客户发货。

其正在美国制造工作电压为 650V 和 1200V 的垂直氮化镓（GaN）FET 晶体管样品。该公司表示，垂直结构将为 650 和 1200 伏器件提供更低的导通电阻和更高的品质因数，其导通电阻仅为碳化硅（SiC）的十分之一，并且工作频率明显更高。

据介绍，Odyssey 的垂直 GaN 方法将比碳化硅或横向 GaN 提供比硅更大的商业优势，垂直 GaN 在竞争技术无法达到的性能和成本水平上比碳化硅具有 10 倍的优势。

在垂直型结构之外，是更高的集成度。需要注意的是，如今GaN 电力电子器件仍由分立元件主导，这些元件由产生开关信号的外部驱动器 IC 驱动，为了能充分利用 GaN 提供的快速开关速度，单片集成功率器件和驱动器功能也是重要的发展方向之一。

目前，绝大多数的GaN功率系统都是由多个晶片组成。这些氮化镓元件在整合至印刷电路板（PCB）以前都是独立元件，制程中会产生寄生电感，降低元件性能。以驱动器为例，当多个独立电晶体的驱动器被置于不同晶片时，驱动器输出级与电晶体输入级之间会产生大量的寄生电感，半桥电路中间的交换节点也会深受其害。以氮化镓（GaN）制成的高电子迁移率晶体管（HEMT）具备超高速的开关能力，如果不去抑制寄生电感，就会导致振铃现象（ringing），也就是干扰讯号的不良振荡。

而这一问题的最佳解决方案，就是进行驱动器与HEMT的单片式整合，不仅能避免寄生现象的发生，还能最大程度地运用GaN元件的优异开关性能。

去年3月，比利时微电子研究中心（imec）氮化镓电力电子研究计划主持人Stefann Decoutere探讨了在200V GaN-on-SOI智能功率芯片（IC）平台上，整合高性能肖特基二极管与空乏型高电子迁移率晶体管（HEMT）的成功案例。

该平台以P型氮化镓（GaN）HEMT制成，此次研发成功整合多个GaN元件，将能协助新一代芯片扩充功能与升级性能，推进GaN功率IC的全新发展。同时提供DC/DC转换器与负载点（POL）转换器所需的开发动能，进一步缩小元件尺寸与提高运作效率。

imec GaN 电源系统开发总监 Stefaan Decoutere表示，通过将 e 模式（增强模式）与 d 模式（耗尽模式）的 HEMT 相结合，我们能够提高 GaN IC 的性能。通过使用集成的 d 模式 HEMT 扩展 SOI 上的功能电子模式 HEMT 平台，可以直接从 RTL 向耦合 FET 逻辑迈出一步，从而实现速度提高和低功耗。

此外，虽然合格的增强型HEMT和肖特基二极管功率器件已经在100V、200V和650V的工作电压范围内进行了演示，为大批量制造应用铺平了道路。但由于在200mm晶圆上生长足够厚的GaN缓冲层很困难，实现高于650V的工作电压一直是一个挑战。因此，到目前为止，SiC仍然是650-1200V应用（包括例如电动汽车和可再生能源）的首选半导体。

同样是imec，其携手化合物半导体材料的沉积设备供应商Aixtron，在200mmQST衬底上展示了符合1200V应用的氮化镓缓冲层的外延生长，其硬击穿电压超过1800V。

imec的高级业务开发经理Denis Marcon表示：“现在，GaN可以成为从20V至1200V整个工作电压范围内的首选技术。由于可以在高产能CMOS工厂的大型晶圆上进行加工，基于GaN的电源技术与基于SiC的本质上昂贵的技术相比，具有明显的成本优势。”

实现技术突破的关键，是在IIAP计划范围内对复杂的外延材料叠层进行精心设计，并结合使用200mm QST衬底。Qromis的CMOS-fab友好型QST衬底的热膨胀非常匹配GaN / AlGaN外延层的热膨胀，为更厚的缓冲层铺平了道路，从而实现更高的电压工作。

此外，还有厂商在氮化镓材料上下苦工。

据日经报道，日本最大的半导体晶圆企业信越化学工业和从事ATM及通信设备的OKI开发出了以低成本制造使用氮化镓（GaN）的功率半导体材料的技术。其制造成本较之传统制法可降低90%。

报告指出，信越化学工业和OKI开发的新技术可以在特有的基板上喷镓系气体，使晶体生长。信越化学工业的增厚晶体技术与OKI的接合技术相结合，从基板上只揭下晶体。晶体放在其他基板上作为功率半导体的晶圆使用。在与在硅基板上使GaN晶体生长的制法相比，不需要基板与晶体之间的绝缘层。加上晶体的厚膜化，可以通20倍大的电流。

总结

更多的大厂，更多的技术创新，让氮化镓成为了大家关注的焦点，就未来而言，氮化镓的前景之广阔，比目前正火热的碳化硅有过之而无不及。

随着下游新应用开始逐步爆发，相关技术不断取得突破，氮化镓器件势必成为第三代半导体中最耀眼的一颗新星，成为降本增效、可持续绿色发展的关键技术之一。

掌握氮化镓，成为了当前功率市场中大部分厂商的希望，而这背后，就是无数日夜的技术打磨与试错，我们相信，奋起直追的国内厂商能在氮化镓之上，寻找到新的突破和增长点。

参考文献

垂直氮化镓功率晶体管及其集成电路的发展状况——李博等

1200V氮化镓，挑战SiC——半导体行业观察

東芝D＆S、開発中のGaNパワーデバイスを初出展——EEtimes

本文来自微信公众号：半导体行业观察（ID：icbank），作者：邵逸琦