氮化鎵（GaN）是一種具有較大禁帶寬度的半導體，屬于寬禁帶半導體之列。

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體材料，具有寬的直接帶隙、強的原子鍵、高的熱導率、化學穩(wěn)定性好（幾乎不被任何酸腐蝕）等性質和強的抗輻照、抗高溫、抗高壓能力。

GaN材料的研究與應用是目前全球半導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體材料，并與SIC、金剛石等半導體材料一起，被譽為是繼第一代Ge、Si半導體材料、第二代GaAs、InP化合物半導體材料之后的第三代半導體材料。它具有寬的直接帶隙、強的原子鍵、高的熱導率、化學穩(wěn)定性好（幾乎不被任何酸腐蝕）等性質和強的抗輻照能力，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 和結型 FET (JFET) 等單極功率器件的整體適用性，會發(fā)現(xiàn)，當SiC在晶體多晶型為 4H 時，指數(shù)為500；而 GaN 則高得多，為930。

Variga 品質因數(shù)是由電子遷移率 (μe)、介電常數(shù) (ε) 和介電擊穿強度 (Ec) 等物理特性決定的值，GaN 即使在耐壓 1200V 的應用中也優(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用設備變得更小、更輕，進一步提高電源效率，提高應用設備的產(chǎn)量。

此外，在使用SiC基功率器件時，一直有人擔心可靠性問題，并希望應用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構和構成四面體晶體結構的四個最近的原子的排列，具體而言，主要包括“3C”、“4H”、“6”、“15R”這集中結構。

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。人們擔心的是，當器件在反復加熱和冷卻的環(huán)境中使用時，可能會發(fā)生相變，導致器件質量發(fā)生變化，從而發(fā)生故障和失效。

當然，在使用SiC器件時，我們會通過改進器件結構、質量控制、驅動電路、運行條件、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構和立方閃鋅礦兩種不同的結構。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用（例如電動汽車的牽引逆變器）是有原因的。為了應對高功率，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，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襯底質量還沒有達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來制成 ，該技術允許高品質 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。需要新的技術突破來制造直徑更大的高質量獨立式 GaN 襯底。


GaN為什么那么貴？

雖然，在理論上，同質外延可以發(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體的應用成本。

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2300℃，導致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，供應商一致的選擇在其他襯底上進行GaN異質外延生長。


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）中使用的多是異質外延片。

氮化鎵器件所選用的襯底主要有Si、SiC、GaN、藍寶石等，在此基礎上進行氮化鎵的同質外延或異質外延。

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稱為同質外延；在硅（或藍寶石，碳化硅）襯底上生長氮化家外延層稱為異質外延。


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，外延材料質量好。但GaN單晶生長設備要求高，控制工藝復雜，位錯缺陷密度較高，良率較低，且相關技術發(fā)展較慢，GaN襯底片成本較高，應用受到限制。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結合了SiC優(yōu)異的導熱性和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行，結溫將隨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、藍寶石基氮化鎵（GaN-on-sapphire）

藍寶石襯底通常采用MOCVD法外延生長GaN，主流尺寸為4英寸，主要應用在LED市場。

在GaN器件中，襯底的選擇對于器件性能起關鍵作用，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。


氮化嫁下游應用

GaN下游應用廣泛，主要有光電子領域、射頻電子領域和電力電子領域。


1、GaN在射頻電子領域的應用

GaN射頻器件主要應用于軍用雷達、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，其中無線通訊應用規(guī)模為 3.04 億美元，軍事應用規(guī)模為 2.7 億美元，未來在電信基礎設施以及國防兩大應用的推動下，預計到 2024 年，GaN市場規(guī)模將增長至 20.01 億美元，年復合增長率為 21%，其中無線通訊應用規(guī)模將達到 7.52 億美元，同比增長147.43%，射頻相關應用規(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功率半導體業(yè)務增長

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，整體系 統(tǒng)復雜度大幅提高，因此使用 GaN 等新技術將大幅縮減系統(tǒng)功耗，圖8中左側 為鍺化硅基 MIMO 天線，其由 1024 個元件構成，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在光電子領域的應用

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，可以應用于超大屏高清智能電視、消費電子顯示屏，以及手機、電腦等消費電子背光應用，VR/AR等多個領域。

近幾年為Micro/Mini LED技術的高速發(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)展迅猛全球領先。

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


3、GaN在電力電子領域的應用

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


快充帶動GaN功率器件應用

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)進入百花齊放的時代。

氮化鎵的應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充電器在消費電子快充領域市場需求量大。

此外，光伏、數(shù)據(jù)中心、云計算等領域都在不同程度為GaN功率器件市場增長提供助力。例如，隨著“東數(shù)西算”工程、智慧城市等建設不斷推進，數(shù)據(jù)中心建設迎來提速。同時，隨著數(shù)據(jù)中心建設體量的增加，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功率半導體市場增長驅動力

GaN功率半導體主要應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功率半導體可在節(jié)能70%的同時使新能源汽車充電效率達到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領域。

中汽協(xié)數(shù)據(jù)顯示，2022年全國新能源汽車銷量達到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，拓展新能源汽車應用市場、提高滲透率是GaN行業(yè)重要的發(fā)展趨勢。