氮化镓的发展难题及技术突破盘点

同为第三代半导体材料，氮化镓时常被人用来与碳化硅作比较，虽然没有碳化硅发展的时间久，但氮化镓依旧凭借着禁带宽度大、击穿电压高、热导率大、饱和电子漂移速度高和抗辐射能力强等特点展现了它的优越性。

虽然没有碳化硅那么火爆，但氮化镓的吸金程度也毫不逊色。据YoleDeveloppement发布的GaNPower2021报告预期，到2026年GaN功率市场规模预计会达到11亿美元，低调却“吸金”。

** “吸金”背后的发展难题**

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。

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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。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，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。

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氮化镓薄膜制备问题

传统的GaN薄膜制备主要方法有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。

MOCVD反应腔

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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。

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其他技术问题

此外，目前氮化镓还有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；其二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。

有难题的地方就会有新技术

当然，有难题的地方就会有科研，有科研的地方就会有智慧，有智慧的地方显然也孕育了不少突破性技术。

中国瑞士联合团队让氮化镓器件性能大幅接近理论极限

南方科技大学电子与电气工程系助理教授马俊团队与瑞士洛桑联邦理工大学（EPFL）和苏州晶湛半导体有限公司合作研发了一种多沟道氮化镓电力电子器件技术，可用于开发高能效的电能转换系统。

多沟道纳米线中的电子传输

该技术解决了两个电子器件中基础性、原理性的挑战。第一，怎么降低器件的电阻，但又不损失电子的迁移率。第二，如何在低电阻的情况下实现高击穿电压。据介绍，研究人员通过材料结构的设计和外延工艺的提升，在100-200纳米的多沟道内，堆叠了4至5个导电沟道。此外，从器件设计方面，研究人员使用了原创的三维场板结构，并申请了专利。

晶湛半导体突破12英寸硅基氮化镓HEMT外延技术

除了上述提到的技术外，晶湛半导体在2021年9月成功将其AlGaN/GaN HEMT外延工艺转移到300mmSi衬底上，同时保持了优异的厚度均匀性和50µm以内的低晶圆翘曲。据了解，这是继2014年成功推出商用200mmGaN-on-Si HV HEMT外延片后，晶湛半导体的又一次突破。垂直电压击穿测量表明，300mm尺寸的晶圆同样适合于200V、650V和1200V功率器件应用。

晶湛半导体300mmGaN-on-SiHEMT外延片系列

厚度均匀性分布图和垂直击穿电压分布图

为解决GaN外延中的晶圆开裂/弯曲和高晶体缺陷等关键问题，晶湛半导体外延生长从AlN形核层开始，然后是应力弛豫缓冲层、GaN沟道层、AlGaN势垒层和GaN帽层。窄的XRDAlN（002）峰和良好的半高宽均匀性表明整个300mm晶圆的晶体质量较高。

AIST开发全球首颗GaN HEMT与SiC SBD的集成单芯片原型

2022年12月12日，日本先进工业科学技术研究所（AIST）宣布，成功开发了全球首颗GaN HEMT与SiC SBD的集成单芯片原型。据介绍，为解决GaN HEMT的可靠性问题，AIST进行了混合晶体管的研究和开发,在同一衬底上，将GaN晶体管和SiC二极管集成在一起（即单片化）。

而开发氮化镓和碳化硅的混合晶体管，需要建设开发氮化镓和碳化硅集成器件原型的环境，所以AIST扩建了一条SiC功率器件的4英寸原型线，将其作为SiC和GaN的共享原型线，并用于开发混合晶体管原型。

审核编辑：刘清