​GaN半导体技术及其在电子领域的前景

环保意识的提高与新能源电动汽车（BEVs）需求的增长，推动了对更优质、无缺陷功率半导体解决方案的研发。而宽禁带功率半导体氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）为此提供了全新可能。然而，如何在生产过程中满足严苛的质量要求并尽可能保证产品的100%可靠性，依然是个待解的难题。在功率集成电路（IC）制造过程中，除了需兼顾产品可靠性外，降低芯片成本以吸引更多消费者购买电动汽车，也成为了当前的一大挑战。为了应对这些问题，制造商已开始从现有的150mm晶圆转向更大的200mm晶圆。

目前，GaN在智能手机的快速充电器中的应用带来的收益巨大。据Yole Développement的最新研究报告数值预测，GaN在消费者手机充电市场上占有的份额预计在2026年将达到5.97亿美元，2020-2026年CAGR达72%。最近Apple发布了其140W MagSafe充电器，引发了行业对GaN解决方案在快速充电市场的关注，预计其应用渗透率到2025年将达到52%。

当前所有GaN电源设备主要是横向的而非垂直的。当应用中需要更高的电压时，SiC可能更适合。因为，要增加击穿电压，就需要相应增加晶片尺寸和表面厚度。然而，升级技术后的应用可能性已在逐步展现。Imec和AIXTRON成功研发出在200mm QST衬底上的氮化镓缓冲层，使其可应用于1200V，并成功使击穿电压超过1800V。如果这项技术的可行性获得了证实，将会解锁在电动汽车领域利用高电压氮化镓应用的可能性。

现阶段GaN应用研发中，横向GaN HEMT的软击穿和栅极泄露电流问题依旧比较突出。这也是部分研发机构将重点放在低电流和约650伏特电压的原因。对于更高电压(> 1,200V)，可能需要寻求其他新兴衬底作支持，例如SOI，QST，或者允许垂直GaN器件的整块GaN。然而，这些新衬底的供应链还处在开发阶段，成本较高且产量较低，未来普及还需时间。

在硅基底上沉积氮化镓层的过程中，由于硅和氮化镓之间的晶格和热膨胀系数不匹配，可能会在氮化镓层中产生致命的缺陷。为了减小这种不匹配的影响，这需要建立一种复杂的缓冲层和外延工艺。外延工艺的开发常与制造商的内部流程密切相关，其复杂性不言而喻。产业目前正在从传统的六英寸平台转向八英寸平台以满足价格压力和高需求量，这无疑需要更多的外延研发以确保产品的均匀性和良品率。

Imec和AIXTRON的研究人员在200mm的QST衬底上成功地培育了适用于1200V应用的氮化镓缓冲层，并使硬击穿电压超过了1800V。这一成果为高电压氮化镓应用在电力电子领域打开了一道新的大门，这在之前只能通过使用碳化硅技术才能实现。

如同在大多数半导体应用中一样，当前主要的横向GaN HEMT容易发生表面击穿和栅极泄露电流，这使一些参与者将重点放在低电流和零到650伏特的电压上。关于更高电压（> 1,200V）的应用，新的衬底材料，如SOI和QST，可能具有更大的吸引力。与硅等材料相比，氮化镓在测试、检查以及可靠性方面的参考数据相对较少。然而，由于氮化镓半导体的应用已得到证实，对其在工艺过程中所需覆盖的主要难关的认识也在持续提高。测试方法也正朝着进一步的标准化发展，在未来可望对应用于更高电压场合的器件具有更好的可靠的判断能力。

当前各种氮化镓技术正在加速向200mm过渡，以期降低生产成本，使氮化镓宽禁带功率半导体技术在混合型和全电动汽车、消费电子产品、智能手机以及其他产品的制造中得到广泛应用。然而，制造者们是否能适当地降低成本，并保稳较新版本的氮化镓技术的制程稳定性，仍是一项未知挑战。