氮化鎵（GaN）是一種具有較大禁帶寬度的半導(dǎo)體，屬于寬禁帶半導(dǎo)體之列。

氮化鎵是微波功率晶體管的優(yōu)良材料，是研制微電子器件、光電子器件的新型半導(dǎo)體材料，具有寬的直接帶隙、強(qiáng)的原子鍵、高的熱導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性好（幾乎不被任何酸腐蝕）等性質(zhì)和強(qiáng)的抗輻照、抗高溫、抗高壓能力。

GaN材料的研究與應(yīng)用是目前全球半導(dǎo)體研究的前沿和熱點，是研制微電子器件、光電子器件的新型半導(dǎo)體材料，并與SIC、金剛石等半導(dǎo)體材料一起，被譽(yù)為是繼第一代Ge、Si半導(dǎo)體材料、第二代GaAs、InP化合物半導(dǎo)體材料之后的第三代半導(dǎo)體材料。它具有寬的直接帶隙、強(qiáng)的原子鍵、高的熱導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性好（幾乎不被任何酸腐蝕）等性質(zhì)和強(qiáng)的抗輻照能力，在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應(yīng)用方面有著廣闊的前景。

GaN的潛力超過SiC

如果我們使用 Barriga 指數(shù)來比較 MOSFET 和結(jié)型 FET (JFET) 等單極功率器件的整體適用性，會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SiC在晶體多晶型為 4H 時，指數(shù)為500；而 GaN 則高得多，為930。

Variga 品質(zhì)因數(shù)是由電子遷移率 (μe)、介電常數(shù) (ε) 和介電擊穿強(qiáng)度 (Ec) 等物理特性決定的值，GaN 即使在耐壓 1200V 的應(yīng)用中也優(yōu)于 SiC。這表明它作為功率器件材料具有很高的潛力。如果能夠挖掘這一潛力，很有可能通過高頻工作使應(yīng)用設(shè)備變得更小、更輕，進(jìn)一步提高電源效率，提高應(yīng)用設(shè)備的產(chǎn)量。

此外，在使用SiC基功率器件時，一直有人擔(dān)心可靠性問題，并希望應(yīng)用GaN作為根本解決方案。SiC晶體有200多種類型，每種都有不同的堆疊結(jié)構(gòu)和構(gòu)成四面體晶體結(jié)構(gòu)的四個最近的原子的排列，具體而言，主要包括“3C”、“4H”、“6”、“15R”這集中結(jié)構(gòu)。

每種材料都有不同的物理特性，而4H具有高遷移率，專門用于許多功率器件。人們擔(dān)心的是，當(dāng)器件在反復(fù)加熱和冷卻的環(huán)境中使用時，可能會發(fā)生相變，導(dǎo)致器件質(zhì)量發(fā)生變化，從而發(fā)生故障和失效。

當(dāng)然，在使用SiC器件時，我們會通過改進(jìn)器件結(jié)構(gòu)、質(zhì)量控制、驅(qū)動電路、運(yùn)行條件、系統(tǒng)配置等措施來解決多態(tài)性問題。但可以肯定的是，如果能從材料本身消除引起問題的根本因素，就可以實現(xiàn)對問題的根治。

對于GaN，則有其六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)和立方閃鋅礦兩種不同的結(jié)構(gòu)。其中，前者是一種穩(wěn)定相，用于器件制造；后者也是已知的，但它不是穩(wěn)定相。這就是為什么在需要高可靠性的應(yīng)用中希望使用 GaN 代替 SiC。

盡管有這樣的背景，但 GaN 器件目前尚未用于處理大量功率的應(yīng)用（例如電動汽車的牽引逆變器）是有原因的。為了應(yīng)對高功率，需要將輸入端子和控制端子放置在類似于硅基MOSFET和IGBT（絕緣柵雙極晶體管）的半導(dǎo)體基板的正面，并將輸出端子放置在背，創(chuàng)建一個允許大電流流過的垂直裝置。

此時，實現(xiàn)垂直GaN器件需要完全由GaN制成的自支撐襯底，但采用傳統(tǒng)的襯底制造技術(shù)，會出現(xiàn)許多穿透襯底并阻礙器件工作的位錯，不幸的是，GaN襯底質(zhì)量還沒有達(dá)到可以滿足要求的水平。

此外，為了實現(xiàn)可量產(chǎn)的垂直GaN器件，不僅需要提高襯底質(zhì)量，還需要增大直徑，這會使器件制造成本降低。目前，4 英寸襯底樣品可以采用被稱為“氨熱法”的液相晶體生長技術(shù)來制成 ，該技術(shù)允許高品質(zhì) GaN 晶體的高通量生長。

然而，由于晶體生長的特性，使用氨熱法增加基板的直徑將被限制在約4英寸。需要新的技術(shù)突破來制造直徑更大的高質(zhì)量獨(dú)立式 GaN 襯底。


GaN為什么那么貴？

雖然，在理論上，同質(zhì)外延可以發(fā)揮芯片的最佳電性能，對于如氮化鎵這種極為昂貴的襯底材料而言更是如此。雖然異質(zhì)氮化鎵外延片存在晶格失配、熱失配，但是其好處也是顯而易見的，那就是可大幅降低氮化鎵半導(dǎo)體的應(yīng)用成本。

GaN材料的貴，貴就貴在太難了！常壓下GaN無法熔化，高溫下直接分解為Ga和N2；在6GPa的高壓下，其熔點也高達(dá)2300℃，導(dǎo)致GaN單晶的制備非常之困難。

舉個簡單的例子，2英寸GaN襯底價格約2000美元，作為對比6英寸SiC襯底價格約900美元，12英寸硅襯底價格約100美元。

所以為了降低成本、湊活性能，供應(yīng)商一致的選擇在其他襯底上進(jìn)行GaN異質(zhì)外延生長。


氮化嫁襯底外延工藝

氮化鎵最早是在1928年人工合成出來的材料。但它的單晶生長很難，目前氮化鎵襯底晶圓仍然偏貴。商業(yè)場景（LED/射頻RF/功率器件）中使用的多是異質(zhì)外延片。

氮化鎵器件所選用的襯底主要有Si、SiC、GaN、藍(lán)寶石等，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行氮化鎵的同質(zhì)外延或異質(zhì)外延。

硅（或碳化硅）襯底上生長硅（或碳化硅）外延層，襯底和外延相同材質(zhì)稱為同質(zhì)外延；在硅（或藍(lán)寶石，碳化硅）襯底上生長氮化家外延層稱為異質(zhì)外延。


1、氮化鎵基氮化鎵（GaN-on-GaN）

GaN單晶襯底是外延GaN最理想的襯底，缺陷密度低，外延材料質(zhì)量好。但GaN單晶生長設(shè)備要求高，控制工藝復(fù)雜，位錯缺陷密度較高，良率較低，且相關(guān)技術(shù)發(fā)展較慢，GaN襯底片成本較高，應(yīng)用受到限制。主流GaN襯底產(chǎn)品以2英寸為主，4英寸也已經(jīng)實現(xiàn)商用。


2、硅基氮化鎵（GaN-on-Si）

Si襯底成本低，GaN-on-Si生長速度較快，較容易擴(kuò)展到8英寸晶圓；GaN-on-Si是硅基工藝，與CMOS工藝兼容性好，使GaN器件與CMOS工藝器件能很好地集成在一個芯片上，可以利用現(xiàn)有硅晶圓代工廠進(jìn)行規(guī)模量產(chǎn)。GaN-on-Si外延片主要用于制造電力電子器件。


3、碳化硅基氮化鎵（GaN-on-SiC）

GaN-on-SiC結(jié)合了SiC優(yōu)異的導(dǎo)熱性和GaN高功率密度、低損耗能力，襯底上的器件可在高電壓和高漏極電流下運(yùn)行，結(jié)溫將隨RF功率緩慢升高，RF性能更好，目前多數(shù)GaN射頻器件的襯底都是SiC。受限于SiC襯底，目前尺寸仍然限制在4寸與6寸，8寸還沒有推廣。GaN-on-SiC外延片主要用于制造微波射頻器件。

4、藍(lán)寶石基氮化鎵（GaN-on-sapphire）

藍(lán)寶石襯底通常采用MOCVD法外延生長GaN，主流尺寸為4英寸，主要應(yīng)用在LED市場。

在GaN器件中，襯底的選擇對于器件性能起關(guān)鍵作用，襯底也占據(jù)了大部分成本，因而襯底是氮化鎵器件降低成本的突破口。目前市場上GaN晶體管主流的襯底材料為Si、SiC和藍(lán)寶石，GaN襯底由于工藝、成本問題尚未得到大規(guī)模商用。


氮化嫁下游應(yīng)用

GaN下游應(yīng)用廣泛，主要有光電子領(lǐng)域、射頻電子領(lǐng)域和電力電子領(lǐng)域。


1、GaN在射頻電子領(lǐng)域的應(yīng)用

GaN射頻器件主要應(yīng)用于軍用雷達(dá)、衛(wèi)星通訊、5G基站等方面。

根據(jù) Yole 統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2018 年 GaN 整體市場規(guī)模為 6.45 億美元，其中無線通訊應(yīng)用規(guī)模為 3.04 億美元，軍事應(yīng)用規(guī)模為 2.7 億美元，未來在電信基礎(chǔ)設(shè)施以及國防兩大應(yīng)用的推動下，預(yù)計到 2024 年，GaN市場規(guī)模將增長至 20.01 億美元，年復(fù)合增長率為 21%，其中無線通訊應(yīng)用規(guī)模將達(dá)到 7.52 億美元，同比增長147.43%，射頻相關(guān)應(yīng)用規(guī)模從200萬美元大幅增長至1.04 億元，增長近50倍。


5G基站助推GaN功率半導(dǎo)體業(yè)務(wù)增長

5G基站中主要使用的是氮化鎵功率放大器和微波射頻器件。GaN材料在耐高溫、耐高壓及承受大電流方面具備優(yōu)勢，與傳統(tǒng)通信芯片相比具備更優(yōu)秀的功率效率、功率密度和寬頻信號處理能力，應(yīng)用在5G基站中更加合適。

5G 射頻系統(tǒng)由于要使用到高頻載波聚合以及高頻帶等多種新技術(shù)，整體系 統(tǒng)復(fù)雜度大幅提高，因此使用 GaN 等新技術(shù)將大幅縮減系統(tǒng)功耗，圖8中左側(cè) 為鍺化硅基 MIMO 天線，其由 1024 個元件構(gòu)成，裸片面積為 4096 平方毫米，輻射功率為 65dBm，如果采用 GaN 材料來制作，整體元件數(shù)量將減少至 192 個， 裸片面積僅為 250 平方毫米，仍能保持輻射功率不變，雖然價格有一定程度的提高，但是功耗降低了 40%，成本可以降低 80%。


2、GaN在光電子領(lǐng)域的應(yīng)用

GaN光電器件產(chǎn)品主要包括Mini-LED和Micro-LED。與傳統(tǒng)LED相比，芯片量級更小，高清顯示性能更好，可以應(yīng)用于超大屏高清智能電視、消費(fèi)電子顯示屏，以及手機(jī)、電腦等消費(fèi)電子背光應(yīng)用，VR/AR等多個領(lǐng)域。

近幾年為Micro/Mini LED技術(shù)的高速發(fā)展期；中國專利申請趨勢與全球總體一致，并且近5年發(fā)展迅猛全球領(lǐng)先。

海外Facebook和蘋果公司分別位列第一、第二，國內(nèi)京東方、歌爾股份、三安光電等也都名列前茅。


3、GaN在電力電子領(lǐng)域的應(yīng)用

GaN高效率、低損耗與高頻率的材料特性使其在消費(fèi)電子充電器、電源適配器等領(lǐng)域具有相當(dāng)?shù)臐B透潛力。


快充帶動GaN功率器件應(yīng)用

與傳統(tǒng)充電器相比，相同功率下的GaN充電器體積更小，質(zhì)量更輕攜帶便利。GaN充電器充電功率大，充電速度快，可滿足多臺設(shè)備同時充電的場景需求，且價格相對便宜。小米、華為、努比亞等手機(jī)廠商開始入局氮化鎵充電器市場，氮化鎵充電器市場已經(jīng)進(jìn)入百花齊放的時代。

氮化鎵的應(yīng)用加速了快充充電器的市場發(fā)展。華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計到2026年，中國氮化鎵充電器市場規(guī)模將上升至50億元。因此，GaN充電器在消費(fèi)電子快充領(lǐng)域市場需求量大。

此外，光伏、數(shù)據(jù)中心、云計算等領(lǐng)域都在不同程度為GaN功率器件市場增長提供助力。例如，隨著“東數(shù)西算”工程、智慧城市等建設(shè)不斷推進(jìn)，數(shù)據(jù)中心建設(shè)迎來提速。同時，隨著數(shù)據(jù)中心建設(shè)體量的增加，數(shù)據(jù)中心市場耗電量未來一段時間將持續(xù)走高。因此降低能耗、建設(shè)綠色數(shù)據(jù)中心成為發(fā)展趨勢。而在數(shù)據(jù)中心的使用場景下，氮化鎵憑借高效率的優(yōu)勢，可帶來顯著的節(jié)能增效并降低成本。


新能源汽車成為GaN功率半導(dǎo)體市場增長驅(qū)動力

GaN功率半導(dǎo)體主要應(yīng)用于新能源汽車的車載充電器OBC、DC-DC/DC-AC、BMS電池管理系統(tǒng)等。

頭豹研究院數(shù)據(jù)顯示，GaN功率半導(dǎo)體可在節(jié)能70%的同時使新能源汽車充電效率達(dá)到98%，增加5%續(xù)航。目前已有豐田、寶馬等多家汽車廠商入局GaN領(lǐng)域。

中汽協(xié)數(shù)據(jù)顯示，2022年全國新能源汽車銷量達(dá)到680萬輛，同比增長93.4%，滲透率爆發(fā)式提升，汽車電動化等級提升顯著增加了功率半導(dǎo)體單車價值量。

未來，新能源汽車數(shù)量的不斷增長、滲透率的提升，GaN潛在市場空間巨大，拓展新能源汽車應(yīng)用市場、提高滲透率是GaN行業(yè)重要的發(fā)展趨勢。