第三代半导体材料氮化镓，传来新消息：日本半导体材料大厂信越化学为氮化镓外延生长带来了有力辅助。
2024年9月3日，信越化学宣布研制出一种用于GaN（氮化镓）外延生长的300毫米（12英寸）QSTTM衬底，并于近日开始供应样品。
图片来源：信越化学
从氮化镓生产上看，尽管GaN器件制造商可以使用现有的Si生产线来生产GaN，但由于缺乏适合GaN生长的大直径基板，因此无法从增加材料直径中获益。上述的300毫米QST基板具有与GaN相同的热膨胀系数，可实现大直径的高质量厚GaN外延生长，并抑制SEMI标准厚度的QST衬底上GaN外延层的“翘曲”或“裂纹”，从而大大降低了器件成本。
资料显示，QSTTM衬底是美国Qromis公司开发的专用于GaN生长的复合材料，并于2019年授权给信越化学。QSTTM是Qromis的美国商标（注册号5277631）。目前，信越化学已销售了150毫米（6英寸）、200毫米（8英寸）QST衬底，以及QST外延衬底上的GaN，如今公司还开发出300mmQST基板。信越化学表示，在扩大150mm和200mmQST基板设施的同时，公司还将致力于300mmQST基板的量产。
信越化学称，利用这一特性，许多客户正在评估QSTTM衬底和QSTTM外延衬底上的GaN，用于功率器件、高频器件和LED。尽管商业环境充满挑战，但客户已进入实用化开发阶段，应对功率器件（包括数据中心电源）日益增长的需求。
氮化镓衬底厂商，动态频频
氮化镓整个产业链可细分为衬底、外延、晶圆代工、芯片设计四个环节，而衬底（Substrate）是产业链的源头。从制备难度上看，不同于Si和SiC芯片，GaN的外延片通常用的是异质衬底，蓝宝石、碳化硅、硅等是氮化镓外延片主流的异质衬底材料。相对于常规半导体材料，GaN单晶的生长进展缓慢，晶体尺寸小且成本高，当前的GaN基器件主要基于异质衬底制作而成，使得GaN单晶衬底及同质外延器件的发展落后于基于异质外延器件的应用。
目前，GaN外延技术常用的主要是HPVE（氢化物化学气相外延）、氨热法（Ammonothermal）、 助熔剂法/钠流法（Na Flux Method）三种，还有一些厂商采用PVD（物理气相传输法）、MOCVD（金属有机物化学气相沉积）、MBE（分子束外延）、CVD（化学气相沉积）等方法。
从市场格局上看，国外衬底厂商主要有日本住友化学（SCIOCS）、日本碍子（NGK）、日本三菱（Mitsubishi）、日本古河电气（Furukawa）、波兰Ammono、美国Kymatech。国内衬底厂商主要是苏州纳维 (Nanowin)、东莞中镓( Sino Nitride)。
今年来，氮化镓衬底研发有了新动态。今年1月，据日媒报道，住友化学已经成功建立4英寸氮化镓衬底的量产技术，将从2024年开始与客户协调量产事宜，还将提供GaN on GaN垂直型外延产品。
据悉，阜阳师范大学科研处于3月1日到访镓数氮化物产业研究院，就“4英寸氮化镓单晶衬底制备关键技术”项目展开调研。该GaN项目为阜阳市校合作产业技术研究院项目，目前镓数中试线能够顺利生产4英寸氮化镓单晶衬底，6英寸和更大尺寸的氮化镓单晶尚在技术攻坚过程中。
资料显示，镓数氮化物产业研究院成立于2022年，经营范围包括新材料技术研发、半导体分立器件制造等。
3月8日，据日媒报道，日本大阪大学（Osaka University）、丰田合成和松下控股公司松下高清三方合作的GaN衬底开发项目取得了新进展，已成功制备高质量6英寸GaN衬底。丰田合成借助了大阪大学新开发的技术成功制备缺陷密度为104/ cm2的6英寸GaN衬底，该技术结合了Na助焊剂法和多点晶种法，兼具高质量及易扩径的优点。此外，以该技术为基础，他们将开发兼容8英寸或更大尺寸的晶体生长设备，用于未来进一步开发大尺寸衬底。
氮化镓：第二次电力电子学革命催化剂
从原理上看，氮化镓是由镓（原子序数31）和氮（原子序数7）结合而来的化合物，是拥有稳定六边形晶体结构的宽禁带半导体材料。这里的禁带，是指电子从原子核轨道上脱离所需要的能量。而氮化镓的禁带宽度为3.4eV，是硅的3倍多，故氮化镓拥有宽禁带特性（WBG）。
Source:GaN Wurtzite crystal structure, Wikipedia
由于氮化镓具有更小的晶体管、更短的电流路径、超低的电阻和电容等优势，氮化镓充电器的充电器件运行速度，比传统硅器件要快100倍。而由于宽禁带材料具备高电场强度，耗尽区窄短，从而可以开发出载流子浓度非常高的器件结构。从氮化镓目前的发展来看，据业界披露，一个典型的650V横向氮化镓晶体管，可以支持超过800V的电压，其漏极漂移区为10-20μm，或大约40-80V/μm。这大大高于硅20V/μm的理论极限。不过氮化镓器件目前仍然远远低于约300V/μm的禁带宽度极限，这意味着还有巨大的改进和优化空间。
此外，据业界称，氮化镓的设计和集成度，已经被证明可以成为充当下一代功率半导体，其碳足迹比传统的硅基器件要低10倍，并且氮化镓功率芯片将成为第二次电力电子学革命的催化剂。据业界估计，如果全球采用硅芯片器件的数据中心，都升级为使用氮化镓功率芯片器件，那全球的数据中心将减少30-40% 的能源浪费，相当于节省了 100 兆瓦时太阳能和1.25 亿吨二氧化碳排放量。
图片来源：Navitas
GaN发展，再次提速
近年来，氮化镓已在消费（如电源适配器）和工业如数据中心电源和太阳能逆变器）已得到广泛采用。从目前发展应用情况来看，消费电子仍是其重要的下游市场，而电机驱动、AI、汽车等行业对氮化镓的需求也在不断增强。
具体来看，在汽车行业，氮化镓正成为新能源汽车领域中，电源转换和电池充电的首选技术。Transphorm（现Renesas-瑞萨电子）于2017年发布的第一个符合汽车AEC-Q101标准的功率GaN产品，截至目前已有多家厂商推出丰富的汽车级产品。TrendForce集邦咨询称，虽然GaN进入Inverter、OBC等动力系统组件还面临着多个技术问题，但相信在英飞凌、瑞萨等汽车芯片大厂的持续投资推动下，GaN不久就会成为汽车功率组件中的关键角色。
在消费电子领域，TrendForce集邦咨询认为，消费电子是功率GaN产业的主战场，并由快速充电器迅速延伸至家电、智能手机等领域。具体而言，GaN已经在低功率的手机快速充电器中被大规模采用，下一步GaN将进入可靠性要求更为严格的笔电、家电电源。另外，其他蕴藏潜力的消费场景包括Class-D Audio、Smartphone OVP等。
其他领域，从市场来看，氮化镓越来越多地出现在太阳能发电装置采用的逆变器中，以及电机驱动和其他工业电源转换的方案中。此外在AI领域，面对更高端的AI运算，务器电源的效能、功率密度必须进一步提高，氮化镓因其优秀的特性备受关注。今年，英飞凌与纳微半导体均公布了针对AI数据中心的技术路线图，将液冷技术与GaN相结合，在较低结温下具有明显的优势，为数据中心提供了巨大的机会，可以最大程度地提高效率，满足不断增长的电力需求，并克服服务器发热量不断增加所带来的挑战。业界称，随着AI应用普及，GaN有望成为减热增效的关键解决技术之一。
展望氮化镓市场前景，据TrendForce集邦咨询最新《2024全球GaN Power Device市场分析报告》显示，随着英飞凌、德州仪器对GaN技术倾注更多资源，功率GaN产业的发展将再次提速。2023年全球GaN功率元件市场规模约2.71亿美元，至2030年有望上升至43.76亿美元，CAGR（复合年增长率）高达49%。其中非消费类应用比例预计会从2023年的23%上升至2030年的48%，汽车、数据中心和电机驱动等场景为核心。
来源：全球半导体观察
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