第三代半導體材料氮化鎵，傳來新消息：日本半導體材料大廠信越化學為氮化鎵外延生長帶來了有力輔助。
2024年9月3日，信越化學宣布研制出一種用于GaN（氮化鎵）外延生長的300毫米（12英寸）QSTTM襯底，并于近日開始供應樣品。
圖片來源：信越化學
從氮化鎵生產上看，盡管GaN器件制造商可以使用現有的Si生產線來生產GaN，但由于缺乏適合GaN生長的大直徑基板，因此無法從增加材料直徑中獲益。上述的300毫米QST基板具有與GaN相同的熱膨脹系數，可實現大直徑的高質量厚GaN外延生長，并抑制SEMI標準厚度的QST襯底上GaN外延層的“翹曲”或“裂紋”，從而大大降低了器件成本。
資料顯示，QSTTM襯底是美國Qromis公司開發(fā)的專用于GaN生長的復合材料，并于2019年授權給信越化學。QSTTM是Qromis的美國商標（注冊號5277631）。目前，信越化學已銷售了150毫米（6英寸）、200毫米（8英寸）QST襯底，以及QST外延襯底上的GaN，如今公司還開發(fā)出300mmQST基板。信越化學表示，在擴大150mm和200mmQST基板設施的同時，公司還將致力于300mmQST基板的量產。
信越化學稱，利用這一特性，許多客戶正在評估QSTTM襯底和QSTTM外延襯底上的GaN，用于功率器件、高頻器件和LED。盡管商業(yè)環(huán)境充滿挑戰(zhàn)，但客戶已進入實用化開發(fā)階段，應對功率器件（包括數據中心電源）日益增長的需求。
氮化鎵襯底廠商，動態(tài)頻頻
氮化鎵整個產業(yè)鏈可細分為襯底、外延、晶圓代工、芯片設計四個環(huán)節(jié)，而襯底（Substrate）是產業(yè)鏈的源頭。從制備難度上看，不同于Si和SiC芯片，GaN的外延片通常用的是異質襯底，藍寶石、碳化硅、硅等是氮化鎵外延片主流的異質襯底材料。相對于常規(guī)半導體材料，GaN單晶的生長進展緩慢，晶體尺寸小且成本高，當前的GaN基器件主要基于異質襯底制作而成，使得GaN單晶襯底及同質外延器件的發(fā)展落后于基于異質外延器件的應用。
目前，GaN外延技術常用的主要是HPVE（氫化物化學氣相外延）、氨熱法（Ammonothermal）、 助熔劑法/鈉流法（Na Flux Method）三種，還有一些廠商采用PVD（物理氣相傳輸法）、MOCVD（金屬有機物化學氣相沉積）、MBE（分子束外延）、CVD（化學氣相沉積）等方法。
從市場格局上看，國外襯底廠商主要有日本住友化學（SCIOCS）、日本礙子（NGK）、日本三菱（Mitsubishi）、日本古河電氣（Furukawa）、波蘭Ammono、美國Kymatech。國內襯底廠商主要是蘇州納維 (Nanowin)、東莞中鎵( Sino Nitride)。
今年來，氮化鎵襯底研發(fā)有了新動態(tài)。今年1月，據日媒報道，住友化學已經成功建立4英寸氮化鎵襯底的量產技術，將從2024年開始與客戶協調量產事宜，還將提供GaN on GaN垂直型外延產品。
據悉，阜陽師范大學科研處于3月1日到訪鎵數氮化物產業(yè)研究院，就“4英寸氮化鎵單晶襯底制備關鍵技術”項目展開調研。該GaN項目為阜陽市校合作產業(yè)技術研究院項目，目前鎵數中試線能夠順利生產4英寸氮化鎵單晶襯底，6英寸和更大尺寸的氮化鎵單晶尚在技術攻堅過程中。
資料顯示，鎵數氮化物產業(yè)研究院成立于2022年，經營范圍包括新材料技術研發(fā)、半導體分立器件制造等。
3月8日，據日媒報道，日本大阪大學（Osaka University）、豐田合成和松下控股公司松下高清三方合作的GaN襯底開發(fā)項目取得了新進展，已成功制備高質量6英寸GaN襯底。豐田合成借助了大阪大學新開發(fā)的技術成功制備缺陷密度為104/ cm2的6英寸GaN襯底，該技術結合了Na助焊劑法和多點晶種法，兼具高質量及易擴徑的優(yōu)點。此外，以該技術為基礎，他們將開發(fā)兼容8英寸或更大尺寸的晶體生長設備，用于未來進一步開發(fā)大尺寸襯底。
氮化鎵：第二次電力電子學革命催化劑
從原理上看，氮化鎵是由鎵（原子序數31）和氮（原子序數7）結合而來的化合物，是擁有穩(wěn)定六邊形晶體結構的寬禁帶半導體材料。這里的禁帶，是指電子從原子核軌道上脫離所需要的能量。而氮化鎵的禁帶寬度為3.4eV，是硅的3倍多，故氮化鎵擁有寬禁帶特性（WBG）。
Source:GaN Wurtzite crystal structure, Wikipedia
由于氮化鎵具有更小的晶體管、更短的電流路徑、超低的電阻和電容等優(yōu)勢，氮化鎵充電器的充電器件運行速度，比傳統硅器件要快100倍。而由于寬禁帶材料具備高電場強度，耗盡區(qū)窄短，從而可以開發(fā)出載流子濃度非常高的器件結構。從氮化鎵目前的發(fā)展來看，據業(yè)界披露，一個典型的650V橫向氮化鎵晶體管，可以支持超過800V的電壓，其漏極漂移區(qū)為10-20μm，或大約40-80V/μm。這大大高于硅20V/μm的理論極限。不過氮化鎵器件目前仍然遠遠低于約300V/μm的禁帶寬度極限，這意味著還有巨大的改進和優(yōu)化空間。
此外，據業(yè)界稱，氮化鎵的設計和集成度，已經被證明可以成為充當下一代功率半導體，其碳足跡比傳統的硅基器件要低10倍，并且氮化鎵功率芯片將成為第二次電力電子學革命的催化劑。據業(yè)界估計，如果全球采用硅芯片器件的數據中心，都升級為使用氮化鎵功率芯片器件，那全球的數據中心將減少30-40% 的能源浪費，相當于節(jié)省了 100 兆瓦時太陽能和1.25 億噸二氧化碳排放量。
圖片來源：Navitas
GaN發(fā)展，再次提速
近年來，氮化鎵已在消費（如電源適配器）和工業(yè)如數據中心電源和太陽能逆變器）已得到廣泛采用。從目前發(fā)展應用情況來看，消費電子仍是其重要的下游市場，而電機驅動、AI、汽車等行業(yè)對氮化鎵的需求也在不斷增強。
具體來看，在汽車行業(yè)，氮化鎵正成為新能源汽車領域中，電源轉換和電池充電的首選技術。Transphorm（現Renesas-瑞薩電子）于2017年發(fā)布的第一個符合汽車AEC-Q101標準的功率GaN產品，截至目前已有多家廠商推出豐富的汽車級產品。TrendForce集邦咨詢稱，雖然GaN進入Inverter、OBC等動力系統組件還面臨著多個技術問題，但相信在英飛凌、瑞薩等汽車芯片大廠的持續(xù)投資推動下，GaN不久就會成為汽車功率組件中的關鍵角色。
在消費電子領域，TrendForce集邦咨詢認為，消費電子是功率GaN產業(yè)的主戰(zhàn)場，并由快速充電器迅速延伸至家電、智能手機等領域。具體而言，GaN已經在低功率的手機快速充電器中被大規(guī)模采用，下一步GaN將進入可靠性要求更為嚴格的筆電、家電電源。另外，其他蘊藏潛力的消費場景包括Class-D Audio、Smartphone OVP等。
其他領域，從市場來看，氮化鎵越來越多地出現在太陽能發(fā)電裝置采用的逆變器中，以及電機驅動和其他工業(yè)電源轉換的方案中。此外在AI領域，面對更高端的AI運算，務器電源的效能、功率密度必須進一步提高，氮化鎵因其優(yōu)秀的特性備受關注。今年，英飛凌與納微半導體均公布了針對AI數據中心的技術路線圖，將液冷技術與GaN相結合，在較低結溫下具有明顯的優(yōu)勢，為數據中心提供了巨大的機會，可以最大程度地提高效率，滿足不斷增長的電力需求，并克服服務器發(fā)熱量不斷增加所帶來的挑戰(zhàn)。業(yè)界稱，隨著AI應用普及，GaN有望成為減熱增效的關鍵解決技術之一。
展望氮化鎵市場前景，據TrendForce集邦咨詢最新《2024全球GaN Power Device市場分析報告》顯示，隨著英飛凌、德州儀器對GaN技術傾注更多資源，功率GaN產業(yè)的發(fā)展將再次提速。2023年全球GaN功率元件市場規(guī)模約2.71億美元，至2030年有望上升至43.76億美元，CAGR（復合年增長率）高達49%。其中非消費類應用比例預計會從2023年的23%上升至2030年的48%，汽車、數據中心和電機驅動等場景為核心。
來源：全球半導體觀察
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