頭頂?shù)谌雽?dǎo)體的光環(huán)，氮化鎵半導(dǎo)體正在實現(xiàn)新的突破

2023-02-07 來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察

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在科創(chuàng)板紅利、國產(chǎn)化、缺芯等因素的共同推動下，過去三年中國半導(dǎo)體行業(yè)取得了長足發(fā)展，其中在氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)為代表的第三代半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，因國內(nèi)和海外的技術(shù)代差并不大，存在彎道超車機會，備受資本關(guān)注。

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頭頂?shù)谌雽?dǎo)體的光環(huán)

氮化鎵GaN由鎵（原子序數(shù) 31) 和氮（原子序數(shù) 7) 結(jié)合而來的化合物。它是擁有穩(wěn)定六邊形晶體結(jié)構(gòu)的寬禁帶半導(dǎo)體材料。

所謂禁帶，是指電子從原子核軌道上脫離所需要的能量，GaN的禁帶寬度為3.4eV，是傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料硅的3倍多，所以說GaN 擁有寬禁帶特性。而禁帶寬度決定了一種材料所能承受的電場。

在電子電氣領(lǐng)域，氮化鎵其實是老選手了。氮化鎵材料具有較寬的禁帶以及較好的物理化學性質(zhì)與熱穩(wěn)定，可以更好地滿足 5G 技術(shù)、新能源汽車以及軍事探測等領(lǐng)域?qū)Ω吖β誓透邷亍⒏哳l耐高壓器件的需求，有著不錯的市場前景。

不過，氮化鎵最開始廣泛應(yīng)用的原因倒不是上述這些，而是它能發(fā)藍光的性質(zhì)。

從1990年開始，它便被用于發(fā)光二極管。GaN材料制作的藍光、綠光LED以及激光二極管早已實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，日本和美國的三位科學家還因此獲得了2014年諾貝爾化學獎。到目前為止，光電領(lǐng)域依然是GaN的傳統(tǒng)強項。

關(guān)于氮化鎵，必須強調(diào)的是，所謂“第一代”、“第二代”和“第三代”半導(dǎo)體并非替代關(guān)系，下一代也不是全面領(lǐng)先于上一代。代際的劃分依據(jù)主要是時間的先后，氮化鎵只是在少數(shù)幾個領(lǐng)域領(lǐng)先于硅。

氮化鎵也不會完全取代硅的市場。

氮化鎵確實具有耐高壓、耐高溫、低能量損耗的特點，但成本昂貴，刻蝕困難?，F(xiàn)有的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈都是圍繞硅片建立的，氮化鎵只能分到一塊很小的市場。目前來看，連1%都沒有。相比起來，碳化硅的產(chǎn)業(yè)化則要成熟得多。

另外，氮化鎵和碳化硅各有側(cè)重，又和硅材料形成差異化競爭。碳化硅側(cè)重高壓，氮化鎵側(cè)重高頻，應(yīng)用場景也不盡相同。

02
跌跌撞撞的發(fā)展過程

截至2021年底，中國已有應(yīng)用在電力電子和射頻領(lǐng)域的氮化鎵晶圓產(chǎn)線各10條，多家中國本土企業(yè)已擁有了一定的氮化鎵晶圓制造水平。

和其他半導(dǎo)體材料類似，氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈可以分為襯底、外延和器件等幾個環(huán)節(jié)。不過，氮化鎵產(chǎn)業(yè)化過程中困難和問題更多，發(fā)展也更為緩慢，且困難主要集中在襯底和外延環(huán)節(jié)。

材料自身的性質(zhì)來看，氮化鎵高溫下會分解，不能使用單晶硅生產(chǎn)工藝的傳統(tǒng)直拉法拉出單晶，需要純靠氣體反應(yīng)合成，而氮氣性質(zhì)非常穩(wěn)定，鎵又是非常稀有的金屬，兩者反應(yīng)時間長，速度慢，反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物多。生產(chǎn)GaN對設(shè)備要求苛刻，技術(shù)復(fù)雜，產(chǎn)能極低。

氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈上游原材料包括氮化鎵襯底及氮化鎵外延片，原材料成本較高，進口依賴嚴重，國產(chǎn)化率約10%。在襯底領(lǐng)域，氮化鎵襯底依然存在著嚴重的技術(shù)困難，一片2英寸的氮化鎵晶片，在國際市場上的售價高達5000美元，而且一片難求。

因此，大多數(shù)廠商被迫采用“移花接木”的方式，用碳化硅或藍寶石作為氮化鎵的襯底材料。這樣做雖然襯底環(huán)節(jié)工藝簡單些，成本低一些，但由于這倆本來就不是一個物質(zhì)，好比鋼鐵上粘木頭，容易出現(xiàn)裂紋、曲翹等缺陷，這可就苦了做外延的兄弟們。

當前，氮化鎵外延片的品質(zhì)和良率幾乎決定了氮化鎵器件產(chǎn)品的性能和良率。并且外延片成本也占到整個氮化鎵價值鏈的近50%，良率的問題也遲遲得不到解決。這些困難共同導(dǎo)致了氮化鎵極低的產(chǎn)能和極高的成本，從而限制了其的廣泛使用。

03
氮化鎵半導(dǎo)體迎來新突破

如今采用了寬禁帶材料的功率半導(dǎo)體已經(jīng)開始實用化。據(jù)悉，美國特斯拉（Tesla）的電機（Motor）驅(qū)動逆變器（Inverter）采用了碳化硅半導(dǎo)體。此外，應(yīng)該也有不少讀者在家電銷售中心等處見過一些采用了氮化鎵半導(dǎo)體的極小型交流轉(zhuǎn)換器（AC Converter）。在高電壓工作情況下，以寬禁帶材料制成的功率半導(dǎo)體的內(nèi)部線路的電氣性能和有效性遠遠高于硅材質(zhì)的傳統(tǒng)半導(dǎo)體。

對已經(jīng)實現(xiàn)實用化的碳化硅半導(dǎo)體和氮化鎵半導(dǎo)體而言，應(yīng)用終端對其耐電壓（Rated Voltage，比額定電壓高，是為維持信賴性的基本電壓）的要求不同，分別如下，碳化硅耐電壓1000V以上，氮化鎵耐電壓1000V以下?；谏鲜鰠^(qū)分，功率半導(dǎo)體廠家和研發(fā)企業(yè)之間形成了“無言的默契”。

然而，上述情況很有可能發(fā)生變化。由于氮化鎵材料可大幅度降低晶圓的缺陷（錯位）密度，因此可以提高應(yīng)用終端的性能、效率，且遠優(yōu)于碳化硅材料，所以，氮化鎵有望實現(xiàn)大范圍量產(chǎn)。如今，研發(fā)人員正在努力積累相關(guān)數(shù)據(jù)，以證實上述結(jié)論。日本大阪大學的森勇介教授位于上述研發(fā)活動的最前沿。

氮化鎵功率半導(dǎo)體雖然適用性極高，但依然面臨三項社會問題

僅從物理特性來看，氮化鎵比碳化硅更適合做功率半導(dǎo)體的材料。

研發(fā)人員還比較了碳化硅和氮化鎵的“Baliga性能指數(shù)（半導(dǎo)體材料相對于硅的性能數(shù)值，即硅為1）”，4H-SiC為500，氮化鎵為900、效率極高。此外，碳化硅的絕緣破壞電場強度（表示材料的耐電壓特性）為2.8MV/cm，氮化鎵更高，為3.3MV/cm。一般情況下，低頻工作時的功耗損失是絕緣破壞電場的三次方，高頻工作時的功耗損失是絕緣破壞電場的2次方，成反比例關(guān)系，所以，氮化鎵的功率損耗更低（工作效率更高）。

那么，為什么在耐高電壓應(yīng)用領(lǐng)域，碳化硅的實用化早于氮化鎵呢？理由如下，在制作MOS FET時，碳化硅更易于形成二氧化硅（SiO2）、“氮化鎵晶圓面臨三大問題點”（森教授）。（下圖1）

圖1：日本大阪大學森勇介列舉的氮化鎵晶圓面臨的問題點。（圖片出自：日本大阪大學）

第一個問題，由于 Bulk Wafer（氮化鎵體塊）的尺寸較小，因此之前僅能生產(chǎn)出低成本的晶圓產(chǎn)品，某些產(chǎn)品甚至無法滿足測試要求。一直以來，都僅能生產(chǎn)出2英寸晶圓，如今終于可以生產(chǎn)出4英寸晶圓。業(yè)界普遍認為只有6英寸以上的大尺寸晶圓才可以滿足功率半導(dǎo)體的批量生產(chǎn)需求，所以如今還沒有達到可以量產(chǎn)的要求。另外，上文中提到的小型交流轉(zhuǎn)換器（AC Converter）所采用的氮化鎵功率半導(dǎo)體采用的晶圓如下，在最大尺寸為6英寸的硅（Si）襯底上形成氮化鎵層。但是，由于硅和氮化鎵的結(jié)晶常數(shù)（Lattice Constant）不同，因此氮化鎵層的缺陷密度較高、無法形成可以滿足耐高電壓、大電流的縱型FET，也無法制作高性能的橫型HEMT。

第二個問題，作為結(jié)體塊式（Bulk）的氮化鎵晶圓本身質(zhì)量不高。如今的結(jié)晶塊晶圓的最大錯位密度高達106/平方厘米，這種水平的密度水平是不適合功率半導(dǎo)體生產(chǎn)的。但是，2英寸晶圓的傾斜角（Off）的分布（是反映晶圓翹曲度的指標）為0.2度，很難實現(xiàn)大尺寸化和低成本化。但是，上述低質(zhì)量的晶圓適合用于光學半導(dǎo)體的生產(chǎn)。不過，對于功率半導(dǎo)體而言，電流需要在晶圓的大部分區(qū)域流通，所以，錯位缺陷成為了耐高電壓、電流量、生產(chǎn)良率低的主要原因。要適用于功率半導(dǎo)體，需要滿足以下錯位密度要求：耐高電壓范圍需要為0.65～3.3kV，單個芯片（Chip）的電流量為100A以上，生產(chǎn)良率要達到90%（必須實現(xiàn)較低的錯位缺陷、較低的翹曲度）。

第三個問題，晶圓價格高昂。如今，2英寸晶圓的價格為10萬日元一一20萬日元（約人民幣5220元一一10440元）。之所以價格如此高昂，理由如下：還沒有確立一項技術(shù)，可以以較高的良率生產(chǎn)出大尺寸晶圓。尺寸為6英寸、價格在10萬日元（約人民幣5220元）以下的晶圓才適用于功率半導(dǎo)體的量產(chǎn)。

成功獲得適用于量產(chǎn)功率半導(dǎo)體的、高質(zhì)量、大尺寸氮化鎵晶圓

氮化鎵晶圓之所以面臨上述問題的根本原因在于氮化鎵結(jié)晶的生長方法。如今量產(chǎn)的體塊式（Bulk）氮化鎵晶圓的制作方法如下，在藍寶石襯底（Sapphire）上用一種名為HEPV（Hydride Vapor Phase Epitaxial，氫化物氣相外延法，以下簡稱為：“HVPE”）的氣相外延法生成氮化鎵結(jié)晶。如果把藍寶石等用作結(jié)晶生長的基礎(chǔ)材料，由于氮藍寶石材料與氮化鎵的結(jié)晶常數(shù)（Lattice Constant）不同，因此會發(fā)生大批量的錯位缺陷。此外，利用“HVPE”，由于是在1000度的高溫下生成結(jié)晶的，所以在生長后常溫冷卻時，整個晶圓會出現(xiàn)翹曲，出現(xiàn)傾斜角（Off）。

此外，有一種名為“氨熱法（Ammono-thermal）”的結(jié)晶方法，該方法可生成高質(zhì)量的結(jié)晶，不同于體塊式（Bulk）氮化鎵晶圓量產(chǎn)工藝中使用的“HVPE”法?！鞍睙岱ā弊鳛橐环N生成人工水晶結(jié)晶的方法，采用的是水熱合成法（已實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用）。提高壓力容器內(nèi)氨的溫度和壓力，使其處于超臨界狀態(tài)，溶解氮化鎵多結(jié)晶，再在氮化鎵種晶（Seed Crystal）上沉淀出單晶。以氮化鎵晶種為基礎(chǔ)材料、并采用液相生長法，可制作出高質(zhì)量的單結(jié)晶。“但是，利用氨熱法，在結(jié)晶生長過程中，一旦出現(xiàn)穩(wěn)定的表面，就會停止生長。基于上述現(xiàn)象的存在，雖然可以制作4英寸晶圓，要想制作出更大尺寸的晶圓，還需要時間的積累?！保ㄉ淌冢?/span>

然而，以往無法制作出高質(zhì)量體塊式（Bulk）氮化鎵晶圓，近年來情況有了顯著改善。已經(jīng)確立了可以制造出高質(zhì)量、低成本體塊式（Bulk）氮化鎵晶圓的技術(shù)。日本大阪大學、豐田合成株式會社合作研發(fā)了一項可解決上述課題的新技術(shù)（下圖2），該技術(shù)融合了“Na Flux法（鈉助溶劑法，利用該方法生長氮化鎵結(jié)晶）”和“Point Seed 法（點籽晶法，利用該方法實現(xiàn)大尺寸晶圓）”。

圖2：融合“Na Flux（鈉助溶）法”和“Point Seed（點籽晶）法”，使大尺寸體塊式（Bulk）氮化鎵晶圓的制作成為可能。（圖片出自：日本大阪大學）

“Na Flux（鈉助溶）法”指的是將鈉/鎵溶液暴露于氣壓為30一一40的氮氣中，將氮溶解于溶液，并使其成為飽和狀態(tài)，從而使氮化鎵結(jié)晶析出。這是日本東北大學山根久典教授于1996年研發(fā)出的技術(shù)?！癗a Flux（鈉助溶）法”的特點是，即使晶種質(zhì)量較低，也可以在其表面形成高質(zhì)量的結(jié)晶。但是，僅靠該方法，雖然可以依靠一個小點形成完美的結(jié)晶，卻無法形成大尺寸結(jié)晶。于是，利用“Point Seed（點籽晶）法”，形成大尺寸的晶圓。即在大塊基材上大面積分布晶種，在結(jié)晶生長過程中，分別合體，形成單結(jié)晶。

據(jù)森教授表示，利用上述方法，可以獲得適用于功率半導(dǎo)體量產(chǎn)的理想結(jié)晶，其錯位密度為104/cm2以下，6英寸晶圓傾斜角分布為0.2度。此外，也已經(jīng)成功制成了6英寸體塊式（Bulk）氮化鎵襯底（該尺寸為全球最大）。而且，如果使用尺寸更大的基材、更多的晶種的話，還可以制作出10英寸晶圓，且生產(chǎn)量不會降低。

此外，還有另一種方法，即以體塊式（Bulk）氮化鎵襯底為晶種，使用“氨熱法”，可制作出高質(zhì)量、大尺寸的體塊式（Bulk）襯底（如下圖3）。針對上述方法，森教授指出：“成本堪比現(xiàn)有的碳化硅襯底，且可以實現(xiàn)較大尺寸?！比毡敬筅娲髮W和豐田合成株式會社等企業(yè)已經(jīng)參加日本環(huán)境省提出的“令和四年度為進一步實現(xiàn)碳中和，加速推進應(yīng)用和普及零部件和材料”項目，近期，三菱化學株式會社（擁有“氨熱法”技術(shù)）也加入了該項目，諸多企業(yè)的加入將更有助于項目的實施和驗證。

圖3：融合“Na Flux（鈉助溶）法”和“氨熱法”。“Na Flux（鈉助溶）法”的優(yōu)勢是可使晶圓實現(xiàn)較大的尺寸、較高的質(zhì)量；“氨熱法”的優(yōu)勢是可提高晶圓質(zhì)量。二者融合后，可以獲得比碳化硅成本更低的的氮化鎵晶圓。（圖片出自：日本大阪大學）

可成功提高元件的性能、良率

據(jù)森教授表示，使用由“Na Flux（鈉助溶）法”和“Point Seed（點籽晶）法”制成的氮化鎵襯底后發(fā)現(xiàn)，氮化鎵元件的性能、良率普遍得到提高。

日本大阪大學和松下集團合作，利用Na Flux（鈉助溶）法，以體塊（Bulk）襯底為基礎(chǔ)制作了縱型氮化鎵FET，并從芯片OFF性能的角度考察了成品率。以市場上銷售的氮化鎵襯底制成芯片的成品率僅為33%，而利用上述方法，則可使成品率大幅度提升至72%。此外，上述成果是基于實驗室基礎(chǔ)獲得的，未來還有很大提升余地。

此外，研究人員已經(jīng)開始利用“OVPE法（Oxide Vapor Phase Epitaxy，氧化物氣相外延法，簡稱為：OVPE，可用于制作超低電阻的晶圓，由日本大阪大學研發(fā)、松下集團推進其實用化）”，在由“Na Flux（鈉助溶）法”和“Point Seed（點籽晶）法”制成的晶種上生長氮化鎵結(jié)晶，以研發(fā)更高性能的縱型氮化鎵FET。制成的晶圓的電阻約為10-4Ωcm2，遠低于碳化硅晶圓（10-3Ωcm2左右）、錯位密度為104/cm2、氮化鎵膜厚超過1毫米。研究人員獲得了一塊晶圓，該晶圓有望實現(xiàn)縱型FET。與碳化硅基的縱型MOS FET相比，在性能方面，縱型FET具有更高的潛力（下圖4）。與利用傳統(tǒng)的體塊式氮化鎵晶圓制成的芯片相比，實驗制作的二極管的ON電阻值降低了50%，縱型FET的OFF電阻值降低了15%（甚至更高）。